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增益带宽积:增益与速度是权衡
理想运放增益无穷,真实的并非如此。亲手降低闭环增益,看让出多少增益、带宽就拓宽多少,而其乘积始终保持恒定。
降低闭环增益,看带宽变宽
浅色下降的直线是随频率下降的开环增益。粗线是反馈设定的闭环增益,先平、在遇到那条直线处折弯并一同下降。那折点就是带宽。降低闭环增益。
闭环增益 AclAcl × 355
增益 · 带宽 · 其乘积
Acl ×355 fc = 2.8 kHz
GBW = Acl × fc = 1.00 MHz (const)
闭环增益高。平线很早就遇到开环线而折弯,带宽窄。这放大器慢。
高增益 · 窄带
无穷增益是假象:增益会下降
我们学过理想运放增益无穷,但真实器件不同。低频时开环增益很大(常约十万倍),但超过某个较低的主导频率后,频率每升十倍,增益便下降 -20 dB,即降到十分之一。在横轴取对数的波特图上,开环增益先平、然后成为以恒定斜率斜降的直线。这条直线与增益 1(即 0 dB)相遇的频率,就是单位增益频率。
降低闭环增益,带宽变宽
加上反馈,闭环增益平稳停在我们选的低值。但频率上升、平线遇到斜降的开环线时,便再无办法维持那增益,从此一同下降。那相遇点的频率正是闭环放大器的带宽。所以降低闭环增益,平线位置更低、在更右更高的频率遇到开环线,带宽随之拓宽。
增益 × 带宽 = 恒定 = GBW
由于开环增益直线斜率恒定,闭环增益与其带宽之积无论在何处截取都是同一值。那个值正是开环增益降到 1 的单位增益频率,称为增益带宽积 GBW。GBW 是器件与生俱来的固定规格。所以想要大增益就接受窄带,想要宽带就接受小增益。一个放大器无法两者兼得;若需更多,就分级叠加,或用 GBW 更大的器件。
观察GBW = Acl fc
增益与带宽之积就是增益带宽积。
选择fc = GBW / ?
带宽是 GBW 除以闭环增益。
填空f = funity: A = ?
在单位增益频率,开环增益降到 1。
自己来Acl fc = ?
让出多少增益带宽就增多少,乘积恒定。
回到第一屏
把闭环增益置高时,平线很早遇到开环线,在窄带处折弯。降低增益,那折点右滑、带宽变宽。这期间增益与带宽之积丝毫未变,因为开环增益以恒定斜率下降。那固定之积就是 GBW,即增益降到 1 的单位增益频率。无穷增益的理想只在低频几乎成立,实际须以增益换速度。这是运放的第一个现实极限。
真实运放的开环增益既非无穷也非平坦。低频时很大(A0),但超过某频率后每十倍降 -20 dB。用反馈降低闭环增益 Acl,带宽 fc 就同比例拓宽。增益 × 带宽 = 恒定,其值就是开环增益降到 1 的单位增益频率 GBW = Acl·fc = funity。GBW 是器件固有规格,故要大增益就接受窄带,要宽带就接受小增益。
接下来的脉络
GBW 是小信号能跟随到多高频率的极限。但信号一大,又现另一堵墙。下一单元看输出每单位时间能变化的最大速度——压摆率,以及输出无法越过电源轨的电压极限。小信号极限与大信号极限是不同的面孔。