这种带宽可调的反相运算放大器电路是如何工作的?

电器工程 运算放大器
2022-02-01 19:13:58

要么我的教科书作者是个恶棍,要么我没有先决条件来理解一个简单的运算放大器电路。我了解基本的反相放大器是如何工作的,并且我知道增益是如何由于内部 RC 电路(米勒 C)而下降的。

我在下面的电路中不明白的是电阻器 \$R\$ 的值如何改变带宽。由于增益带宽乘积通常是恒定的,因此该电路必须非常巧妙地在不触及增益的情况下操纵带宽。我附上了我的教科书解释的完整快照。它说带宽随 \$R\$ 而变化,并给出了方程式,但没有解释如何或为什么。请帮助我了解这是如何工作的。

教科书 1

教科书 2

3个回答

作者正确地说带宽随 R 而变化,但增益不随 R 而变化。
如果我们将与 R 并联的电压源与 R 本身结合起来,在运算放大器的反相端获得戴维南等效值,则可以很容易地理解这个结果。
Thevenin 等价物将是 $$R_{th} = R_1 ||R$$ $$V_{th} = \frac{V_{in}(R_1||R)}{R_1}$$ 并且增益的表达式是 $$A_v = \frac{V_o}{V_i} = -\frac{R_f}{R_1}$$ 独立于 R。

正如 OP 正确指出的那样,无论反馈程度如何,放大器的增益带宽乘积都保持不变。更多信息可以在这里这里找到。
诀窍是反馈放大器(反相放大器)的输入是 Vth 而不是 Vin。
因此,通过增加 R,增益正在下降(分母增加),因为增益是 $​​$\frac{V_o}{V_{th}} = -\frac{R_f}{R_1 ||R}$$,因此,由于 GBW保持不变,带宽必须增加。

直观的答案

由于 R 将输入和反馈都衰减到 0V,因此内部晶体管必须使用更多的内部增益来提供输出信号电压,以便 Vin(-) 的输入电流抵消并保持虚拟接地。即Vin/Rin=Vout/Rf。

因此,用 Rin 到 R 到 gnd 衰减 Vin 到 Vin(-) 不会影响外部直流环路增益,但运算放大器晶体管必须使用更多内部增益来匹配输出,但由于固定 GBW,会以 BW 为代价。

外部“DC”环路增益达到衰减的新 GBW 产品......是我想要的 TY @LvW

所示电路修改在运算放大器输入端子之间使用电阻器 R 是提高闭合 lopp 增益(输入补偿)稳定性裕度的一种非常流行的方法。

对于理想的运算放大器(非常大的开环增益),电阻器 R 对闭环增益没有影响,但它会降低 LOOP GAIN(因此会降低闭环增益的带宽)。

因此,稳定性裕度得到了提高,我们甚至可以使用未经单位增益补偿的运算放大器,用于需要低至单位闭环增益值的应用。

直观解释(对于未受影响的闭环增益):假设开环增益 Aol 为无穷大,则闭环增益为Acl =-Hf/Hr

Vout=0 时的正向因子Hf=Vn/Vin(Vn:“-”运算放大器端子处的电压)和

反馈因数(返回)Hr=Vn/Vout,Vin=0。

很容易表明,附加电阻器 R 以相同的方式降低了这两个因素,因此“R”的值抵消了 Hf/Hr 的比率。

计算:

前向因子:Hf=(Rf||R)/[(Rf||R) + R1]

反馈系数:Hr=(R1||R)/[(R1||R) + Rf]

在对比率Acl=-Hf/Hr进行评估(和一些数学操作)之后,我们得出Acl=-Rf/R1(R 抵消)。

但是,可以通过改变 R 将环路增益(对于稳定性特性至关重要)尽可能低:

环路增益 LG=-Hr*Aol(Aol:运算放大器的开环增益)