一

引言

在電路選型運算放大器時，用戶經常比較關心運放輸出電壓的上升時間是如何計算的，上升時間到底與運放的帶寬增益積GBW有關，還是與運放的壓擺率SR有關，還是某些時候與兩者同時都存在一定的約束關系？不少用戶直接使用壓擺率SR去評估電路的上升時間，得出的結果有時候會對挑選運放的參數比較嚴苛，本文列出在不同幅度下的輸入信號，或者不同的電路形式時，可以用一套近似的公式去計算運放輸出電壓的上升時間，在工程應用上可以較好評估運放的器件選型。

二

** 影響輸出電壓上升時間的因素**

常見的電壓反饋型運算放大器內部的等效結構如Figure2-1所示，可以分為三級電路。第一級差分對電路完成差分轉單端輸出，第二級增益級，第三級推挽輸出級。其中主極點電容 Cc 和差分對尾電流源會對運放的帶寬、壓擺率有顯著影響。

Figure 2-1

當輸入端 Vp 和 Vn 有較小電壓差時，一般為 100mVpp 以內，此時 Vp 和 Vn 對應的輸入管仍然開啟，主極點電容 Cc 的充放電可以維持在電流 I2的有效范圍內，這樣運放輸出電壓呈現出類似于電容充放電指數上升或者下降的波形。

當輸入端 Vp 和 Vn 有較大電壓差時，一般為數百mV乃至數Vpp 電壓，此時 Vp 和 Vn 對應的輸入管可能會因為輸入信號幅度過大，某一邊的輸入管會關閉，另外一邊的輸入管會完全開啟，導致關閉一側的輸入管的支路電流完全給主極點電容Cc充電，因為此時充電電流已經達到最大值，電容Cc的電壓會呈現出恒流充電時的狀態，在運放輸出端我們會看到斜坡一樣的上升波形。

因此為了研究運放輸出電壓的上升時間，我們需要區分此時輸入信號的幅度，小幅度信號和大幅度信號的輸入，會導致完全不一樣的輸出電壓上升時間。

三

運放電路輸出電壓上升時間trise的計算方法

表格3-1列出不同的電路形式，不同幅度的輸入信號，計算輸出電壓上升時間的近似公式。

Acl是電路的噪聲增益。

GBW是運放的帶寬增益積。

SR是運放的壓擺率。

表格 3-1

從上表的結論可以得出，不是任何時候運放輸出電壓的上升時間都與壓擺率SR有關，需要根據輸入信號的幅度來合理評估到底是運放的帶寬增益積GBW影響多一點，還是運放的壓擺率SR影響多一點，這樣會更合理的指導器件的選型。

四

仿真驗證

1、 同相輸入緩沖器電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-1

Figure 4-2

根據表格 3-1

與仿真結果 38ns 接近

2、 同相輸入緩沖器電路，大信號輸入Vin=5Vpp，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-3

Figure 4-4

根據表格 3-1

與仿真結果中dx = 400ns 相同

3、 同相輸入放大電路，放大倍數為100倍，小信號輸入Vin=50mV，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-5

Figure 4-6

根據表格 3-1

與仿真結果 3.8us 接近。

4、 反相輸入緩沖器電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-7

Figure 4-8

根據表格 3-1

與仿真結果 61ns 接近。

注意： 上圖的反相放大電路中，噪聲增益 Acl=2 ，不是1。

5、 反相輸入緩沖器電路，大信號輸入Vin=5Vpp，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-9

Figure 4-10

根據表格 3-1

與仿真結果中dx = 402ns 接近

6、 反相輸入放大電路，小信號輸入Vin=50mV，運放設置為 GBW=10MHz，SR=10V/us。

Figure 4-11

Figure 4-12

根據表格 3-1

與仿真結果 3.4us 接近。

注意 ：上圖的反相放大電路中，噪聲增益 Acl=100 ，不是99。