筆者在技術支持過程中,常常遇到工程師質疑放大器的增益帶寬積參數“摻水”啦!!!設計中明明預留很大余量,但是電路的輸出波形依然出現失真的情況。其實,在交流信號調理電路的帶寬評估中,應該區分對待輸入信號是小信號,還是大信號。如果輸入信號是小信號使用增益帶寬積參數是合理的,而當輸入信號為大信號時,還使用增益帶寬積參數進行評將會導致設計缺陷。本篇將通過一個實例分析,壓擺率與大信號帶寬(滿功率帶寬)的關系,以及一種快捷仿真滿功率帶寬的方式。

01 壓擺率定義

壓擺率(Slew Rate,SR)定義為由輸入大信號階躍變化引起的輸出電壓變化率,常用單位是V/μs。如圖2．125,在緩沖器電路的輸入端提供一個由最低輸入信號到最高輸入信號的階躍變化Vin,放大器受到壓擺率參數的影響,輸出信號Vo對于大信號的響應以最快的變化速率(dV/dt)上升,直到輸出信號達到與輸入信號等幅值。

圖2．125 壓擺率參數工作示意圖

應當注意放大器上升、下降過程中的壓擺率可能不同,以及壓擺率參數的測試條件。如圖2．126,在±5V電源供電,增益為1倍的電路中,ADA4807輸出5V階躍信號。在信號的上升沿,從峰值的20%提高到80%時,壓擺率(SR+)為225V/μs。在信號的下降沿,從峰值的80%下降到20%時,壓擺率(SR-)為250V/μs。

圖2．126 ADA4807動態性能參數

在數據手冊中,沒有明確提供壓擺率參數的放大器,可以使用大信號瞬態響應圖。如圖2．127,估讀Δt、ΔV,按照壓擺率定義估算壓擺率的范圍。

圖2．127 ADA4807大信號瞬態響應

02 壓擺率與滿功率帶寬的關系

雖然在數據手冊中可以獲得壓擺率參數,但是在工程師設計中最終需要的是大信號帶寬,即滿功率帶寬(Full Power Bandwidth,FPBW)。它是指放大器在指定閉環增益與指定負載的條件下,輸入正弦波時,輸出為指定最大幅度,在此狀態下增大輸入信號的頻率直到輸出信號因為壓擺率限制導致失真的頻率點。

滿功率帶寬的計算過程如下:

輸入信號是峰峰值為Vpp,頻率為f的正弦波,通過單位增益電路的輸出電壓為式2-75。

輸出電壓對時間求導,得到式2-76。

當dv/dt 達到最大時,函數式為2-77。

式中MAX表示在函數cos等于1的時候取得最大值。即在Sin信號 t =0 時的壓擺率值。此時,對應的信號頻率就是滿功率帶寬,式2-77變換為式2-78。

由式2-78,調整為滿功率帶寬的函數式,如式2-79。

可見,滿功率帶寬由壓擺率和信號峰峰值決定。當壓擺率為常數時,信號峰峰值越大,滿功率帶寬越小。如圖2．126,ADA4807的上升壓擺率為225V/μs,當輸入信號峰峰值為2V時,其滿功率帶寬為17．9MHz。當信號峰峰值為4V時,其滿功率帶寬僅為8．95MHz。所以在大信號作輸入激勵的ADA4807應用電路中,仍然使用增益帶寬積(-3dB帶寬為180MHz)進行設計,必然會導致電路輸出信號失真。

03 壓擺率與滿功率帶寬實例分析

去年4月中旬,筆者接觸到一位剛剛成立工作室的工程師,在首款產品研發中,將AD8065設計為電路第二級的緩沖器,調試中發現輸出信號產生失真。

電路如圖2．136,輸入信號是幅值為±0．1～±1V ,頻率為10～30MHz的正弦波,工程師反饋在輸入信號為±1V,信號頻率超過20MHz時,AD8065的輸出信號會產生失真。如圖1,工程師對比過AD8065的-3dB 信號帶寬為145MHz沒有發現異議。

圖1 AD8065動態性能參數

筆者向工程師解釋問題在于±0．1～±1V的信號屬于大信號范圍,應該使用壓擺率計算全功率帶寬的方法進行評估。AD8605在±5V供電,輸入信號峰峰值為2V,滿功率帶寬為:

該問題如果工程師在方案選型階段使用LTspice進行仿真完全可以暴露設計漏洞,規避壓擺率限制問題,高效優質地完成硬件設計工作。如圖2．136,將信號源V3設置為正弦波,峰峰值為2V,頻率設置可變參量f,變化范圍是10～30MHz,以4MHz為步長。

圖2．136 AD8605緩沖電路

AD8065的輸出信號對比輸入信號的仿真結果,如圖2．137。當輸入信號頻率為10MHz、14MHz時,輸出完全跟隨輸入;當信號頻率為18MHz時,其輸出稍有失真;當信號頻率為22MHz時,其輸出明顯失真;當信號頻率為26MHz、30MHz時,其輸出受壓擺率限制完全失真成為三角波,斜率為壓擺率。

圖2．137 AD8065緩沖電路的滿功率帶寬仿真結果

將電路中AD8065替換為筆者推薦的ADA4817,再次進行仿真。如圖2,數據手冊中,提供了ADA4817在±5V供電,4V階躍的條件下,壓擺率典型值為870V/μs,以及輸入信號為3．3V,電路增益為2倍時滿功率帶寬典型值為60MHz。

圖2 ADA4817動態性能參數

結果如圖2．138,輸入正弦信號峰值為±1V,在頻率為10～30MHz范圍內,輸出信號V(out)完全跟隨與輸入信號V(in)變化而變化,沒有再發生失真現象。

圖2．138 ADA4817緩沖電路的滿功率帶寬仿真結果

通過這個實例可以讓大家更直觀感受到,在大信號帶寬的設計中,需要使用的參數是壓擺率。以及在電路選型評估中,使用LTspice的參數掃描指令,實現電路大信號帶寬的高效驗證。這也是為什么最近一年多的時間里,在筆者所支持的工程師群體中,LTspice已經成為不可或缺的仿真評估軟件的原因。