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放大器增益頻寬積引數對閉環迴路頻寬的影響評估

由 電子發燒友網 發表于 舞蹈2021-07-07
簡介AD8628的增益頻寬積為2MHz,閉環增益與頻率曲線如圖2

開環極點是什麼意思

放大器增益頻寬積引數對閉環迴路頻寬的影響評估

在《計算放大器電路的大訊號頻寬就用壓擺率|LTspice一條指令輕鬆解鎖》文中,介紹過放大器處理幅值大於等於100mV的交流大訊號時,應當使用壓擺率引數評估訊號頻寬。而

處理幅值小於100mV的交流小訊號時,需要透過增益頻寬積引數評估訊號頻寬,但是使用它時不能只將該引數除以預定電路增益(訊號頻寬)獲得期望的訊號頻寬(電路增益),必須判斷在增益頻寬積有效的應用範圍內,滿足成立條件之後,再使用它進行評估訊號頻寬

。本節將透過原理模擬與實際案例,詳細介紹在(閉環)電路中,使用放大器增益頻寬積,評估訊號頻寬的方法。

1。增益頻寬積與單位增益頻寬定義

增益頻寬積(Gain BandwithProduct,GBP或GBW)定為放大器的開環增益與該增益處頻率的乘積。通常以Hz為單位。

增益頻寬積的應用範圍為:

(1)電壓反饋型放大器,不適用於電流反饋型放大器。

(2)幅值小於100mV的小訊號頻寬分析。

資料手冊中增益頻寬積使用開環增益與頻率特性圖。以一款開環增益為十萬倍,增益頻寬積為10MHz的電壓反饋型放大器為例。使用增益頻寬積分析開環增益與頻率曲線,如圖2。95。當頻率超過極點頻率100Hz時,放大器的開環增益以20dB/十倍頻的速度衰減,即頻率提高10倍,開環增益變為原增益的0。1倍。

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圖2。95 增益頻寬積

所以,

增益頻寬積成立的條件是應用的頻率範圍內,開環增益滿足-20dB/十倍頻的衰減關係

。如圖2。95,滿足條件的頻率範圍內,G1與f1的乘積等於G2與f2的乘積。

單位增益頻寬(UnityGain-Bandwith,UGBW),也稱為單位增益交越頻寬(Unity-Gain Crossover,UGC)是指放大器開環增益與頻率圖中,開環增益下降到1倍(0dB)時對應的頻率。當頻率高於單位增益頻寬時,放大器不具有放大能力。如圖2。95中,當頻率為10MHz時,放大器的增益為1倍。

增益頻寬積、單位增益頻寬在一些資料手冊中直接提供。如圖2。5,ADA4077增益頻寬積為3。6MHz,單位增益頻寬為3。9MHz。也有一些放大器在指標在資料手冊的引數部分中沒有提供,

在評估時可使用開環增益與頻率圖進行計算

增益頻寬積模擬電路與開環增益模擬電路相同,以ADA4807為例如圖2。96。

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圖2。96 ADA4807增益頻寬積模擬電路

AC分析結果如圖2。97,在1KHz至90MHz範圍內,開環增益以20dB/十倍頻衰減。其中,增益為60dB(1000倍)處,頻寬為181。78KHz,增益為40dB(100倍)處,頻寬為1。811MHz。兩個位置增益與頻寬乘積近似相同,頻率從181。78KHz上升到1。811MHz,頻率增加十倍,增益衰減20dB 。

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圖2。97 ADA4807增益頻寬積AC分析結果

2 增益頻寬積與閉環迴路頻寬理論分析

增益頻寬積是放大器開環條件下的頻寬引數,放大器以閉環方式工作。所以一些放大器資料手冊提供-3dB閉環頻寬引數,定義為在單位增益電路中,隨頻率上升閉環增益衰減3dB(0。707倍)時的頻率。如圖2。5,ADA4077的-3dB閉環頻寬為5。5MHz。

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圖2。5 ADA4077動態引數

部分放大器的典型引數圖還提供指定閉環增益與頻率圖。如圖2。98,ADA4077在±5V,±15V電源供電時,閉環增益為1,10,100倍條件下的頻寬。下面透過示例分析該圖的由來,以及在設計中如何準確評估,指定增益下的頻寬是否滿足設計需求。

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圖2。98 ADA4077閉環增益與頻率圖

如圖2。99,使用一款開環增益1000000倍的放大器,組建反饋係數β為0。01(增益100倍)的同相放大電路。

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圖2。99同相放大頻寬分析電路

使用圖形法分析閉環迴路頻寬。放大器開環增益為1000000倍,直流或低頻段開環增益為120dB。由於放大器內部分的輸入級、中間級、輸出級,可能存在多個極點,其中決定放大器的低頻極點,是輸入級的米勒補償電容Cc。低頻極點也稱為主極點fp。當頻率超過fp後開環增益將以-20dB/十倍頻衰減。

電路的閉環增益為式2-65。

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在直流與低頻率範圍內,環路增益Avoβ遠遠大於1,閉環增益近似為式2-66。

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而隨著頻率的上升,當環路增益Avoβ遠小於1時,閉環增益近似為式2-67。

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整合閉環增益GCL曲線,如圖2。100。直流與低頻率段閉環增益曲線為1/β,即100倍(40dB)的恆定值,在高頻率段閉環增益跟隨開環增益變化而變化。延長1/β與Avo曲線相交點的頻率為訊號的閉環迴路頻寬fc。在fc處閉環增益下降為原來的0。707倍(減少3dB)。

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圖2。100閉環增益、開環增益與頻寬

透過圖形法計算頻寬的準確度依賴於X軸(頻率)的解析度,難以精準計算頻寬。妥善的評估閉環頻寬方法,是透過圖形法確認目標頻率範圍內增益頻寬積條件成立。即電路低頻的閉環增益延長線與開環增益的交點,在開環增益-20dB/十倍頻的線性變換範圍內。再使用增益頻寬積的定義計算閉環頻寬:

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在實際設計中還要考慮電路工作溫度等因素,將計算結果保留±30%~±60%的餘量才能確保訊號不失真

。因此,在設計初期使用模擬驗證,能夠高效評估電路的閉環頻寬。

3 閉環迴路頻寬案例

2019年8月底,一位剛入行的工程師電話諮詢,他使用AD8505設計的訊號調理電路輸出異常。工程師已經排查過電源和外圍器件均沒有發現疑問,所以懷疑晶片有問題。電路如圖2。101,使用AD8505將一個幅值為±10mV,頻率為10KHz的正弦訊號同相放大6倍。

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圖2。101 AD8505應用電路

工程師反饋設計時,分析過AD8505增益頻寬積為95KHz(5V供電,25℃),如圖2。102。電路閉環增益為6倍,理論頻寬可以達到15。8KHz,相比於目標頻寬10KHz,設計餘量為58%。但是電路的實際輸出峰峰值為95mV左右。

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圖2。102 AD8505動態效能引數

筆者首先幫助工程師檢視AD8505閉環增益與頻率圖,如圖2。103。當AD8505閉環增益為20dB,在10KHz頻率處的閉環增益下降4dB左右。初步判斷閉環增益為15。58dB時,頻寬可能不足10KHz。

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圖2。103 AD8505閉環增益與頻率

使用LTspice對圖2。101電路進行瞬態分析,其結果如圖2。104。輸入訊號V(in)的峰峰值為20mV,輸出訊號峰峰值V(out)為92。3mV,即實際增益為4。615倍(13。28dB)。

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圖2。104 AD8505電路瞬態分析結果

再使用LTspice對圖2。101電路閉環增益的幅頻特性進行AC分析,結果如圖2。105。在頻率小於1KHz時,閉環增益為15。57dB,近似於設計目標15。58。當頻率為10KHz時,閉環增益只有13。258dB,與電路瞬態模擬計算結果13。28dB等同。

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圖2。105 AD8505電路幅頻特性AC分析結果

將模擬結果反饋工程師,並推薦使用管腳封裝相容、工作電壓相容、軌到軌輸入/輸出的零漂型放大器AD8628替換AD8505進行測試。AD8628的增益頻寬積為2MHz,閉環增益與頻率曲線如圖2。106,在10KHz處閉環增益可以滿足15。56dB。

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圖2。106 AD8628閉環增益與頻率

另外,提供AD8628替換電路的瞬態分析結果,如圖2。107。輸入訊號V(in)是峰峰值為20mV,頻率為10KHz的正弦波,輸出訊號V(out)是峰峰值為120mV,頻率為10KHz的正弦波,閉環增益達到6倍的設計需求。

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圖2。107 AD8628放大電路瞬態分析結果

對AD8628替換電路的閉環增益幅頻特性進行AC分析,結果如圖2。108。在10KHz處,閉環增益滿足15。58dB。後續工程師使用AD8628完成專案整改。

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圖2。108 AD8628放大電路幅頻特性AC分析結果

作者:鄭薈民

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