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如何通过电路测量运放的增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）

news 来源：原创 2025/6/23 12:53:38

一、增益带宽积（GBP）的测量

定义：增益带宽积是运算放大器的开环增益下降到直流增益的（即 - 3dB）时对应的频率与该频率下增益的乘积，数学表达式为：
其中 A0 是直流开环增益，f0 是 - 3dB 截止频率。

1.测量原理

闭环增益法：通过配置运放为闭环增益 Acl，测量其 - 3dB 带宽 fcl，则：GBP = Acl ⋅ fcl
（当 Acl = 1 时，fcl = GBP，即跟随器配置）。

2.测量电路与步骤

电路配置：

反相放大器：
（建议 Acl=10，便于计算）。
同相跟随器：

测试步骤：

搭建电路：按图连接运放、电阻和负载。
输入正弦波：使用信号发生器输入固定幅度（如 100mV）的正弦波。
扫频测量：从低频开始逐渐增加频率，观察示波器输出波形。
记录 - 3dB 点：当输出幅度下降至初始值的 70.7% 时，对应的频率即为 fcl。
计算 GBP：根据 Acl 和 fcl 计算结果。

3.注意事项

负载影响：需确保负载电阻足够大（如），避免影响带宽。
示波器带宽：应至少为被测运放 GBP 的 3 倍（如测量 10MHz GBP 时，示波器带宽需≥30MHz）。
噪声控制：使用屏蔽线，缩短信号线长度，减少干扰。

4.示例

用LM358搭建一个简单的反向比例放大器，放大倍数为10倍。

（注意：函数发生器的振幅指的是信号的幅值，而电流表所测得的数值为有效值）

当输入信号的频率为1kHz，振幅为100mV时，该电路可以实现正常放大。若要计算增益带宽积（GBP）则需要将输出幅度下降至初始值的0.707倍，此时所得到的频率为 fcl。

此时可得频率大概为79kHz，根据GBP的计算公式可算得，增益带宽积大概为790kHz。

当我们把Rf的阻值改为10kΩ，让该放大电路的放大倍数为1时，同理可以算得增益带宽积。

此时可得频率大概为570kHz，根据GBP的计算公式可算得，增益带宽积大概为570kHz。

由此可以得出结论：增益越大，带宽越小；增益越小，带宽越大。

二、压摆率（SR）的测量

定义：压摆率是运放输出电压对大信号阶跃输入的最大变化速率，单位为V/μs，数学表达式为：
其中 ΔV 是输出电压的变化量，Δt 是上升或下降时间。

1.测量原理

阶跃响应法：输入理想阶跃信号，观察输出波形的上升沿或下降沿，计算斜率。

2.测量电路与步骤

电路配置：

闭环增益为 1：使用同相跟随器（Acl = 1）或反相放大器（Acl = −1）。
大信号输入：输入电压幅度需足够大（如 ±5V），使运放进入压摆限制状态。

测试步骤：

搭建电路：按图连接运放、电阻和负载。
输入阶跃信号：使用信号发生器输出幅度为 Vin 的方波（如 5V 峰峰值）。
观察输出波形：用示波器观察输出信号的上升沿和下降沿。
计算 SR：
- 上升沿 SR：
- 下降沿 SR：
  （取较大值作为运放的压摆率）。

3.注意事项

信号发生器要求：阶跃信号的上升时间应远小于运放的压摆率（如信号上升时间 < 10% SR 对应的时间）。
示波器设置：使用高频探头（如 10× 衰减），带宽足够宽，触发模式设为边沿触发。
负载电容影响：若运放驱动容性负载，需外接补偿电容（如 100pF）以稳定输出。

4.示例

用LM358搭建一个简单的反向比例放大器，放大倍数为1倍。

上升沿SR：单位是V/us

下降沿SR：单位是V/us

三、综合测试电路设计

参数	电路配置	测试信号	关键设备
增益带宽积	反相 / 同相放大器	正弦波（扫频）	信号发生器、示波器
压摆率	同相 / 反相放大器	阶跃信号（方波）	信号发生器、示波器

四、常见问题与解决方法

1.GBP 测量结果偏低

原因：负载过重、示波器带宽不足、反馈电阻寄生电容影响。

解决：增加负载电阻、使用更高带宽示波器、选择低寄生电容电阻。

2.压摆率测量波形失真

原因：信号发生器阶跃沿过慢、运放驱动能力不足、补偿电容未正确连接。

解决：更换高速信号发生器、增加缓冲级、检查补偿电容位置。

五、总结

GBP 测量：通过闭环增益与 - 3dB 带宽的乘积计算，需确保电路稳定和测试设备带宽足够。
SR 测量：通过阶跃响应的上升 / 下降沿斜率计算，需大信号输入和高速测试设备。
应用场景：GBP 用于评估运放在高频信号下的放大能力，SR 用于评估大信号动态响应（如音频功放、模数转换器）。

注意：实际测量时需参考运放 datasheet 的典型测试条件，确保结果准确性。

【补】振幅？幅值？峰峰值？有效值？

振幅：是指振动的物理量可能达到的最大值，常用于描述机械振动、波动等现象。在正弦波中，振幅就是幅值，是信号偏离平衡位置的最大距离。
幅值：对于周期信号，是指在一个周期内信号所能达到的最大绝对值。以正弦波为例，若表达式为y=Asin(ωt+φ)，A就是幅值。
峰峰值：是指信号在一个周期内正向峰值与负向峰值之间的差值。对于正弦波，峰峰值等于2倍幅值。
有效值：是根据电流热效应来规定的，让交流与直流分别通过相同的电阻，在相同时间内产生相同热量，则该直流的值就是交流的有效值。对于正弦波，其有效值等于幅值除以，约为幅值的0.707倍。

总的来说，振幅和幅值在正弦波中概念相同，是信号的最大偏离值；峰峰值是幅值的两倍，描述了信号的最大变化范围；有效值则是从能量角度对信号进行的一种度量，常用于计算功率等实际应用中。

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