幾十年前的流行音樂需要許多樂器，因此得名“大樂隊(duì)時(shí)代”。 今天，帶寬增加再次成為時(shí)代的標(biāo)志。互聯(lián)網(wǎng)使用、支持網(wǎng)絡(luò)的蜂窩電話（3G、4G、LTE 和 Wi-Fi）、音樂播放器和數(shù)碼攝像機(jī)的爆炸式增長(zhǎng)擴(kuò)大了消費(fèi)者對(duì)帶寬的期望。我們正處于向所有便攜式設(shè)備批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L(fēng)口浪尖。帶寬已成為王道，因此我們?cè)俅芜M(jìn)入了“大帶寬時(shí)代”。 那么，為什么要討論小信號(hào)帶寬呢？

許多運(yùn)算放大器在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中都包含小信號(hào)帶寬規(guī)格。（所有運(yùn)算放大器都有一個(gè)“最佳點(diǎn)”，以獲得更好的帶寬，即使數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提及。該規(guī)格通常基于限制在十分之一伏左右的信號(hào)幅度，乍一看似乎主要用于與其他運(yùn)算放大器公司進(jìn)行比較和“吹噓權(quán)利”。

然而，一些應(yīng)用可以利用小信號(hào)帶寬，小信號(hào)帶寬可能比運(yùn)算放大器的大信號(hào)帶寬大很多倍。例如，MAX4104運(yùn)算放大器具有0MHz的小信號(hào)帶寬（1.625V或更低）和2MHz的大信號(hào)帶寬（11V峰峰值）。大多數(shù)應(yīng)用都利用大信號(hào)帶寬。小信號(hào)帶寬很高，因?yàn)檫\(yùn)算放大器工作在中端最佳位置（圖 1）。

圖1.信號(hào)條件決定了通過運(yùn)算放大器的帶寬。

通常，輸入信號(hào)的最佳點(diǎn)接近電源電壓的一半。放大器在該區(qū)域的線性度最高，并產(chǎn)生最佳的信號(hào)質(zhì)量。運(yùn)算放大器具有較大的開環(huán)增益，它們采用負(fù)反饋來控制放大器，以犧牲開環(huán)增益以獲得穩(wěn)定性和線性度。當(dāng)放大器輸出接近任一電源軌時(shí)，可用的反饋較少，這反過來又降低了反饋對(duì)放大器響應(yīng)進(jìn)行線性化的能力。當(dāng)最佳點(diǎn)外的反饋減少時(shí)，頻率響應(yīng)降低，失真增加。提供“軌到軌”操作的運(yùn)算放大器使用特殊的電路配置來最小化電源軌附近的失真，但仔細(xì)閱讀典型“軌到軌”輸出的數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)，輸出電流在供電軌處減小到零。

現(xiàn)代運(yùn)算放大器采用工藝制造，其中單個(gè)晶體管具有數(shù)千兆赫茲帶寬。然而，運(yùn)算放大器由數(shù)十或數(shù)百個(gè)晶體管、電阻和電容組成，該電路結(jié)構(gòu)的凈效果是降低總帶寬，通常降低一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。這種自然帶寬降低的影響包括由級(jí)間雜散電容和電阻引起的相位和幅度誤差。帶寬降低限制了壓擺率，并且正如人們所期望的那樣對(duì)幅度敏感。因此，小信號(hào)比大信號(hào)具有更大的帶寬。

但是，某些應(yīng)用可以使用小信號(hào)帶寬。在一種這樣的應(yīng)用中——用于遠(yuǎn)程傳感器的阻抗轉(zhuǎn)換器——小信號(hào)驅(qū)動(dòng)相對(duì)較長(zhǎng)的電纜。系統(tǒng)要求可能包括高達(dá)十分之一伏的放大，以及驅(qū)動(dòng)50Ω或75Ω同軸電纜的能力。系統(tǒng)中的第一個(gè)放大器通常設(shè)置信噪比。顯然，帶寬和信噪比是聯(lián)系在一起的。因此，通過限制信號(hào)幅度來利用小信號(hào)帶寬，可以使用消耗更少電源電流的較便宜的運(yùn)算放大器。

利用運(yùn)算放大器頻率特性

雖然帶寬限制會(huì)降低運(yùn)算放大器的性能，但您可以利用帶寬限制來充分利用廉價(jià)運(yùn)算放大器。例如，如果您需要使用簡(jiǎn)單的1MHz低通濾波器來限制信號(hào)帶寬，該怎么辦？對(duì)于非關(guān)鍵應(yīng)用，可以使用MAX4245等價(jià)格低廉的運(yùn)算放大器（圖2a）。對(duì)于3MHz低通濾波器，可以使用MAX4330（圖2b）。對(duì)于更關(guān)鍵的應(yīng)用，精確控制截止頻率和斜率的Sallen-Key有源濾波器更為合適。

圖2.這些電路采用廉價(jià)運(yùn)算放大器工作，因?yàn)樗鼈冇幸鈱⑿盘?hào)帶寬限制在1MHz （a）和3MHz （b）。

低通帶寬可與其他功能結(jié)合使用，以降低系統(tǒng)成本。例如，由“完美二極管”制成的精密整流器可以通過降低信號(hào)帶寬來平滑信號(hào)的邊緣。（“完美二極管”是指在反饋環(huán)路中帶有二極管的運(yùn)算放大器，它產(chǎn)生二極管響應(yīng)，而沒有通常的正向壓降。請(qǐng)參閱圖 3。

圖3.反饋路徑中的二極管使該運(yùn)算放大器電路能夠執(zhí)行全波整流，而不會(huì)產(chǎn)生與二極管中的正向壓降相關(guān)的損耗。

將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，同時(shí)降低高頻噪聲的電路也可以使用廉價(jià)的運(yùn)算放大器工作。再舉一個(gè)例子，您可以構(gòu)建一個(gè)具有遲滯的比較器（施密特觸發(fā)器），該比較器可忽略其閾值電壓中的高頻噪聲（圖 4）。低于閾值的噪聲將被忽略，正反饋鎖存輸出狀態(tài)，直到超過相反的閾值。輸出的壓擺率受運(yùn)算放大器響應(yīng)的限制。

圖4.這種廉價(jià)運(yùn)算放大器的適度帶寬允許施密特觸發(fā)器電路忽略高頻噪聲。

慢速運(yùn)算放大器往往價(jià)格低廉，通過組合利用運(yùn)算放大器原生頻率響應(yīng)的功能，可以降低系統(tǒng)成本。電源的偏置和基準(zhǔn)電路可以利用低通特性來去耦噪聲并產(chǎn)生清潔電源。運(yùn)算放大器可以將電路與其他電路隔離，并充當(dāng)?shù)屯V波器。例如，在圖5中，運(yùn)算放大器電壓跟隨器使單個(gè)基準(zhǔn)電壓源能夠由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和其他電路共享。跟隨器件的高輸入阻抗和低輸出阻抗用于將各種電路彼此隔離。這種隔離減輕了走線長(zhǎng)度對(duì)電路板的影響，并防止電路之間的串?dāng)_。由于基準(zhǔn)電壓輸出預(yù)期為單個(gè)直流值，因此低帶寬運(yùn)算放大器通過充當(dāng)?shù)屯V波器來提高其質(zhì)量。

圖5.這些廉價(jià)的運(yùn)算放大器為各種電路分配單個(gè)基準(zhǔn)電壓，而其低帶寬則用作受歡迎的噪聲濾波器。

我們正處于通信爆炸式增長(zhǎng)之中，消費(fèi)者開始期望高速通信網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛使用。在美國(guó)，政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始考慮普遍寬帶的可用性，這與20世紀(jì)政府的基礎(chǔ)設(shè)施任務(wù)相似。這種基礎(chǔ)設(shè)施——農(nóng)村電氣化、通用電話服務(wù)和州際公路系統(tǒng)——大大提高了我們的生活水平。當(dāng)我們考慮越來越寬的通信帶寬時(shí)，我們還應(yīng)該考慮控制該帶寬的所有系統(tǒng)。用于均衡、通道選擇、自動(dòng)增益和頻率控制（AGC 和 AFC）以及許多其他電路的電路需要較慢的低頻控制。即使在這個(gè)大頻段時(shí)代，低帶寬運(yùn)算放大器也占有一席之地。

審核編輯：郭婷