上一篇《計(jì)算放大器電路的大信號(hào)帶寬就用壓擺率|LTspice一條指令輕松解鎖》一文，收到幾位工程師的留言“如何分辨大、小信號(hào)？”這個(gè)問題是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來區(qū)分，通常將峰峰值小于100mV的輸入信號(hào)完全視為小信號(hào)進(jìn)行處理，而在峰峰值大于等于100mV的輸入信號(hào)的處理中，按照輸入大信號(hào)分析壓擺率的限制。
筆者希望工程師不僅掌握上述結(jié)論保證在大信號(hào)帶寬設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目需求，而且能夠深入了解壓擺率參數(shù)為什么會(huì)受到限制？本文將通過分析限制壓擺率受到限制原因與LTspice仿真，剖析壓擺率參數(shù)的使用條件是：
- 輸入端的信號(hào)
- 幅值大的信號(hào)
01.壓擺率限制原因和影響因素
放大器低頻極點(diǎn)是受輸入級(jí)的米勒補(bǔ)償電容影響，壓擺率是受到放大級(jí)米勒補(bǔ)償電容的影響。
如圖2.128，放大器的輸入級(jí)與放大級(jí)電路示意圖。輸入級(jí)跨導(dǎo)gm將輸入的差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出電流Iout，Iout流入放大級(jí)并對(duì)米勒補(bǔ)償電容進(jìn)行充電。流過電容的電流(ic)與電容兩邊電壓關(guān)系，如式2-80。
當(dāng)ic為常數(shù)時(shí)，電容兩端的電壓將隨時(shí)間t呈線性變化。
圖2.128放大器放大級(jí)米勒電容示意圖
所以當(dāng)放大器輸入的差分信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，輸入級(jí)的輸出電流Iout遠(yuǎn)小于極限值，Iout隨輸入差分信號(hào)變化而變化，放大級(jí)的輸出電壓Vo不受影響。而在輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，輸入級(jí)的輸出電流Iout達(dá)到極限值Iout（MAX），即飽和恒流狀態(tài)，輸入級(jí)不再遵循“虛短”原則，放大級(jí)的輸出電壓Vo跟隨時(shí)間以固定斜率呈線性狀態(tài)增加，這種現(xiàn)象稱為壓擺率限制。
影響壓擺率的重要因素是放大器內(nèi)部體效應(yīng)，即半導(dǎo)體基片與襯底會(huì)形成PN節(jié)，具有結(jié)電容（體效應(yīng)電容），如圖2.128輸入級(jí)Cbody。由于Cbody的形成將分流Iout，當(dāng)Cbody等于Cc時(shí)，Iout下降50%，壓擺率也將下降50%。體效應(yīng)問題在同相放大電路中比較突出，因?yàn)楣材ｋ妷弘S輸入信號(hào)變化而變化進(jìn)而影響Cbody。共模電壓越高使得壓擺率越低。在反相放大電路中，共模電壓為常數(shù)，輸入信號(hào)不會(huì)影響壓擺率。
影響壓擺率的另一因素是溫度，半導(dǎo)體器件參數(shù)的性能與工作溫度相關(guān)。在放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)提供壓擺率與溫度示意圖，通常壓擺率隨著溫度上升而在一定范圍內(nèi)增加，如圖2.129為ADA4807壓擺率與溫度示意圖。
2.129 ADA4807壓擺率與溫度示意圖
02. 壓擺率仿真
壓擺率仿真電路如圖2.130，使用ADA4807組建的緩沖器電路，分別以峰峰值為5V和50mV，頻率為20KHz的方波信號(hào)作為輸入激勵(lì)（V3）進(jìn)行瞬態(tài)仿真。
圖2.130ADA4807緩沖電路壓擺率仿真圖
在峰峰值為5V，頻率為20KHz的方波激勵(lì)信號(hào)上升沿，ADA4807的壓擺率仿真結(jié)果，如圖2.131。
圖2.131 ADA4807緩沖電路大信號(hào)激勵(lì)SR+仿真結(jié)果
在50.0033μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為-2V，在50.0211μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為+2V（圖2.126中ADA4087壓擺率測(cè)試條件為20%到80%），由此可得：
仿真計(jì)算結(jié)果224.7V/μs近似于ADA4807數(shù)據(jù)手冊(cè)SR+的典型值225V/μs，如圖2.126。
圖2.126 ADA4807動(dòng)態(tài)性能參數(shù)
在峰峰值為5V，頻率為20KHz的方波激勵(lì)信號(hào)下降沿，ADA4807壓擺率仿真結(jié)果，如圖2.132。
圖2.132ADA4807緩沖電路大信號(hào)激勵(lì)SR-仿真結(jié)果
在70.013μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為+2V，在70.0282μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為-2V(圖2.126中ADA4087壓擺率測(cè)試條件為80%到20%），由此可得：
仿真計(jì)算結(jié)果為263V/μs,接近數(shù)據(jù)手冊(cè)SR-的典型值250V/μs，如圖2.126。
在峰峰值為50mV，頻率為20KHz的方波激勵(lì)信號(hào)上升沿，ADA4807壓擺率仿真結(jié)果，如圖2.133。
圖2.133 ADA4807緩沖電路小信號(hào)激勵(lì)SR+仿真結(jié)果
在50.003μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為-21.03mV，在50.00091μs時(shí)，ADA4807的輸出電壓為+18.93mV，由此可得：
可見在小信號(hào)作為激勵(lì)時(shí)，壓擺率的仿真計(jì)算結(jié)果為6.5V/μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADA4807的SR+壓擺率典型值225V/μs。
比對(duì)上述仿真結(jié)果可以驗(yàn)證壓擺率適用于大信號(hào)的帶寬分析，但是大信號(hào)是作為輸入條件還是輸出條件仍有疑問。上述緩沖器電路在輸入小信號(hào)時(shí)，輸出仍然是小信號(hào)。如果將輸入小信號(hào)通過增益電路產(chǎn)生大信號(hào)輸出時(shí)，結(jié)論是否不同？
如圖2.134，電路增益設(shè)計(jì)為125倍，輸入信號(hào)是峰峰值為50mV，頻率為20KHz的方波小信號(hào)。
圖2.134 ADA4807增益為125倍的小信號(hào)激勵(lì)SR+仿真電路
在峰峰值為50mV，頻率為20KHz的方波激勵(lì)信號(hào)上升沿，ADA4807壓擺率仿真結(jié)果，如圖2.135。
圖2.135 ADA4807增益為125倍的小信號(hào)激勵(lì)SR+仿真結(jié)果
輸出信號(hào)正相的峰值為2.986V,反相峰值為-3.262，電路的閉環(huán)增益為：
計(jì)算電路增益為124.96倍，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。在50.0237μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為-2.609V，在50.2562μs時(shí)ADA4807的輸出電壓為+2.384V，由此可得：
該仿真計(jì)算結(jié)果為21.4V/μs與數(shù)據(jù)手冊(cè)中SR+指標(biāo)225V/μs仍然存在很大差異。由此可見，在電路輸出為大信號(hào)，輸入為小信號(hào)時(shí)壓擺率也不會(huì)受限。
綜上，由于放大器內(nèi)部的放大級(jí)電路中存在米勒電容，使得放大器的輸入端信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，容易由于壓擺率的限制導(dǎo)致放大器的輸出信號(hào)產(chǎn)生失真。