高速運(yùn)算放大器（英文：High Speed Op Amps），簡稱為高速運(yùn)放。高速運(yùn)算放大器主要用于儀器儀表、電信、實驗室和醫(yī)療系統(tǒng)中的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

眾所周知，運(yùn)算放大器是構(gòu)建模擬電路的基本模塊，它們用于多種信號調(diào)節(jié)任務(wù)，例如電壓放大、濾波和數(shù)學(xué)運(yùn)算。當(dāng)然，運(yùn)算放大器的重要特征之一是速度，因此區(qū)分出了通用運(yùn)算放大器和高速運(yùn)算放大器。在理想情況下，運(yùn)算放大器在所有頻率下都具有無限輸入阻抗的特性，但實際上它們的速度是有限的。

決定高速運(yùn)算放大器的重要概念有兩個：它們與運(yùn)算放大器的速度有關(guān)，即帶寬和壓擺率。這兩個概念很難理解，尤其是它們?nèi)绾蜗嗷ヂ?lián)系。在下文中，英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師將介紹跟“帶寬和壓擺率”相關(guān)的問題。

一、影響高速運(yùn)算放大器速度的原因是什么？

那么，是什么原因?qū)е逻\(yùn)算放大器首先具有有限的速度呢？發(fā)生這種情況是因為現(xiàn)實生活中的運(yùn)算放大器受到節(jié)點上有限阻抗的限制。節(jié)點處的阻抗取決于節(jié)點處的電阻和電容。隨著頻率的增加，電容的行為更像是“短路”，從而導(dǎo)致較低的阻抗并因此導(dǎo)致較低的增益。最終，導(dǎo)致信號開始“丟失”。正是這一點限制了如何快速的運(yùn)算放大器可以工作。下圖為運(yùn)算放大器如何響應(yīng)階躍信號變化，其中，擺率和帶寬都對信號的總建立時間產(chǎn)生影響。

現(xiàn)在，讓我們更深入地研究并嘗試從概念上了解擺率和帶寬。

（1）帶寬

我們在直流偏置下設(shè)計一個運(yùn)算放大器。因此，我們基本上是在消耗靜態(tài)功率，以使其“準(zhǔn)備好”接受小信號或較小幅度的信號。當(dāng)使用傅立葉變換分解時，這些頻率可以為你提供從小到大的非常不同的頻率總和。這是“小信號”的域，因此是帶寬。帶寬越高，運(yùn)算放大器就能夠放大更高頻率的信號，因此具有更高的速度。從電氣上來說，信號增益為1/sqrt[2]或理想值的0.707的頻率是運(yùn)算放大器的帶寬。這是運(yùn)算放大器可以按預(yù)期行為工作的最大頻率。比如：增益帶寬乘積為350kHz，即閉環(huán)增益為1時，帶寬為350kHz。增益為2時，將為175kHz，依此類推。閉環(huán)增益越高，運(yùn)算放大器的速度就越慢-增益和帶寬的乘積恒定。

（2）擺率

現(xiàn)在，假設(shè)信號變得非常大。例如，它變?yōu)?V而不是1-2mV這么小。那么，運(yùn)算放大器會發(fā)生混亂。我們知道，運(yùn)放旨在處理小信號并在其帶寬內(nèi)運(yùn)行，現(xiàn)在又處于大信號區(qū)域。這種情況下，運(yùn)算放大器將飽和，其中之一將具有全部電流，另一個則為零。這也叫尾電流，然后用于將2V信號“傳輸”到下一級。這時候，若立即更改電壓都是不可能的，因為它將需要無限的電流來為系統(tǒng)“固有”的電容充電。如果使用電容來進(jìn)行補(bǔ)償，它們可以高達(dá)10pF左右。而且我們也沒有無限的電流，這將導(dǎo)致壓擺率。那么，這種大信號變化的原因是什么？這是因為當(dāng)系統(tǒng)中的電源打開時或來自上一級的輸入進(jìn)行電源循環(huán)或切換時。在這些情況下，我們需要進(jìn)行大信號分析。

讓我們更多地討論壓擺率的公式。當(dāng)運(yùn)算放大器處于大信號模式時，運(yùn)算放大器的所有偏置都會完全飽和，這就是為什么我們需要返回庫侖定律，該定律規(guī)定q = CV 或 I = CdV/dt，因此dV/dt = I/C，這是教科書中壓擺率的公式。

以潤石高速運(yùn)算放大器為例，壓擺率是160mV/us，即運(yùn)算放大器需要1us才能將其輸出增加160mV。

二、選擇帶寬還是選擇轉(zhuǎn)換速率？

如果繼續(xù)運(yùn)行，2V信號將處于“壓擺限制”狀態(tài)，直到差分對的一側(cè)被耗盡為止，然后一旦電流開始在被耗盡的差分側(cè)建立，它將進(jìn)入“帶寬”區(qū)域，所以，建立時間=回轉(zhuǎn)時間+BW響應(yīng)時間。

轉(zhuǎn)換速率是運(yùn)算放大器可以響應(yīng)輸入信號的較大變化的最大速率，帶寬是它可以響應(yīng)信號的微小變化的最大速率。兩者共同確定步進(jìn)響應(yīng)的總建立時間。一些應(yīng)用程序?qū)挼囊蟾鼮閲?yán)格，并且其壓擺率要求不是太嚴(yán)格，可能在唯一的擺壓率方便的真實位置是啟動期間就是這種情況。但是，某些應(yīng)用（例如電機(jī)驅(qū)動器）需要運(yùn)算放大器完全打開或關(guān)閉，而此時的擺率要求更為嚴(yán)格。歸結(jié)為將電氣信息從一個階段傳輸?shù)搅硪粋€階段。我們受到這樣做所需要的電流量的限制，這會產(chǎn)生壓擺率。在大信號區(qū)域中，為壓擺率；在小信號區(qū)域中，為帶寬。所以，對于高速運(yùn)算放大器，我們可能需要選擇高帶寬和高壓擺率。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的有關(guān)高速運(yùn)算放大器的帶寬和擺率的知識。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)、運(yùn)放芯片和模擬開關(guān)。