在本文中，我們將討論一種不同的非理想情況：轉(zhuǎn)換速率，它定義為運算放大器的輸出電路可以產(chǎn)生的電壓變化率。如果理論輸出波形的斜率超過轉(zhuǎn)換速率，則實際輸出波形將偏離輸入波形的形狀，如圖 1 所示。
圖 1.運算放大器輸出的壓擺率限制，上升時間由trise表示。圖片由羅伯特·凱姆提供壓擺率通常以伏特每微秒 (V/μs) 為單位。如果我們將轉(zhuǎn)換速率乘以一段時間，結(jié)果就會告訴我們輸出電壓在這段時間內(nèi)會增加多少。然而，更常見的是，我們使用運算放大器的指定轉(zhuǎn)換速率來估計上升時間，或者相反，估計下降時間。
我們可以將上升時間（上圖中的 trise）定義為信號從其新值的 10% 增加到 90% 所需的時間。下降信號的轉(zhuǎn)換率類似，的區(qū)別是我們現(xiàn)在測量從 90% 下降到 10% 的變化。請注意，本文的其余部分將僅討論上升輸出信號的轉(zhuǎn)換速率限制。
為了估計上升時間，我們將 80% 的預(yù)期輸出變化除以壓擺率。這種測量上升時間的方法減少了上升沿開始或結(jié)束時發(fā)生的逐漸變化的影響。通過看一個例子我們可以更好地理解這一點。
上升時間：一個例子
假設(shè)我們需要一個運算放大器來放大傳入的傳感器信號，當(dāng)某個物理事件發(fā)生時，該信號將從 0 V 快速轉(zhuǎn)換到 500 mV。我們將假設(shè)以下情況：
我們將運算放大器配置為增益為 10 的同相放大器，以便預(yù)期輸出從 0V 快速轉(zhuǎn)變?yōu)?5V。
我們使用經(jīng)典的 741 運算放大器，其轉(zhuǎn)換速率約為 0.5 V/μs。
在這種情況下，10% 到 90% 的條件對應(yīng)于從 0.5 V 增加到 4.5 V，電壓增加了 4 V。上升時間計算如下：
t上升 = 4 V0.5 Vμs = 8 μ文字s
接下來，我們將使用圖 2 中的 LTspice 原理圖通過仿真來確認(rèn)上升時間。
圖 2.用于測試 741 運算放大器壓擺率的 LTspice 電路。圖片由羅伯特·凱姆提供圖 3 顯示了仿真結(jié)果。正如您所看到的，運算放大器的輸出信號的上升速度不如輸入信號的急劇上升。
圖 3. 模擬階躍函數(shù)輸入和轉(zhuǎn)換速率限制輸出。圖片由羅伯特·凱姆提供我們可以通過放大并使用光標(biāo)功能來測量上升時間和轉(zhuǎn)換速率（圖 4）。
圖 4. LTspice 的光標(biāo)功能使我們能夠測量輸出斜坡的斜率。圖片由羅伯特·凱姆提供從V OUT = 0.5 V 到V OUT = 4.5 V的輸出信號看起來非常線性。上升時間約為 8.5 μs，接近我們的理論值。波形這部分期間的斜率為 470,851 V/s，約為 0.47 V/μs。這表明仿真中使用的 SPICE 模型成功地再現(xiàn)了預(yù)期的約 0.5 V/μs 的 741 轉(zhuǎn)換速率。
轉(zhuǎn)換速率對正弦信號的影響
我們現(xiàn)在已經(jīng)了解了運算放大器的壓擺率如何增加輸出波形的上升時間，從而導(dǎo)致快速輸入階躍轉(zhuǎn)換變?yōu)榫�性斜坡輸出轉(zhuǎn)換。然而，轉(zhuǎn)換速率限制不僅影響階躍函數(shù)。它們會影響任何需要比運算放大器支持的變化速度更快的輸出信號，例如高頻正弦信號。
對于正弦信號，我們主要考慮非線性導(dǎo)致的失真。如果實際輸出信號的上升速度不能與預(yù)期輸出信號的較高斜率部分一樣快，則運算放大器將無法維持輸入和輸出之間的線性關(guān)系。
圖 5 顯示了轉(zhuǎn)換速率引起的失真的一個極端示例。輸出的上升沿和下降沿受到轉(zhuǎn)換速率的限制。結(jié)果，信號現(xiàn)在是三角波而不是正弦波。
圖 5.模擬 741 運算放大器在正弦曲線的較高斜率部分期間遇到轉(zhuǎn)換速率限制。圖片由羅伯特·凱姆提供是什么導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速率限制？
電路中的延遲和帶寬限制從根本上來說是由電容引起的。電流在電路內(nèi)流動并通過阻抗時產(chǎn)生電壓。然而，電壓不會立即出現(xiàn)——電流必須首先對寄生電容和有意電容進行充電或放電。較大的電容需要更多的充電電流并導(dǎo)致更長的延遲。
運算放大器具有必須充電和放電的內(nèi)部電容，這些電容限制了輸出電壓變化的速率。在許多情況下，這些內(nèi)部電容包括相對較大的補償電容器。
例如，圖 6 顯示了Texas Instruments 的LM124運算放大器的內(nèi)部原理圖。其補償電容器 ( CC )降低了放大器第二級中電壓變化的速率。
德州儀器 (TI) LM124 運算放大器的內(nèi)部原理圖。
圖 6. LM124 運算放大器的內(nèi)部原理圖。其補償電容標(biāo)記為C C 。圖片由德州儀器 (TI)提供內(nèi)部補償電容器使運算放大器更加穩(wěn)定，但會降低壓擺率。非補償運算放大器不使用補償電容器，而是受到較小寄生電容的限制。因此，它們提供了更高的轉(zhuǎn)換速率。 |
