上一篇《計算放大器電路的大信號帶寬就用壓擺率|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?”這個問題是根據工程經驗來區分,通常將峰峰值小于100mV的輸入信號完全視為小信號進行處理,而在峰峰值大于等于100mV的輸入信號的處理中,按照輸入大信號分析壓擺率的限制。

筆者希望工程師不僅掌握上述結論保證在大信號帶寬設計滿足項目需求,而且能夠深入了解壓擺率參數為什么會受到限制?本文將通過分析限制壓擺率受到限制原因與LTspice仿真,剖析壓擺率參數的使用條件是:

1) 輸入端的信號

2) 幅值大的信號

1．壓擺率限制原因和影響因素

放大器低頻極點是受輸入級的米勒補償電容影響,壓擺率是受到放大級米勒補償電容的影響。

如圖2．128,放大器的輸入級與放大級電路示意圖。輸入級跨導gm將輸入的差分信號轉化為輸出電流Iout,Iout流入放大級并對米勒補償電容進行充電。流過電容的電流(ic)與電容兩邊電壓關系,如式2-80。

當ic為常數時,電容兩端的電壓將隨時間t呈線性變化。

圖2．128 放大器放大級米勒電容示意圖

所以當放大器輸入的差分信號為小信號時,輸入級的輸出電流Iout遠小于極限值,Iout隨輸入差分信號變化而變化,放大級的輸出電壓Vo不受影響。而在輸入信號為大信號時,輸入級的輸出電流Iout達到極限值Iout(MAX),即飽和恒流狀態,輸入級不再遵循“虛短”原則,放大級的輸出電壓Vo跟隨時間以固定斜率呈線性狀態增加,這種現象稱為壓擺率限制。

影響壓擺率的重要因素是放大器內部體效應,即半導體基片與襯底會形成PN節,具有結電容(體效應電容),如圖2．128輸入級Cbody。由于Cbody的形成將分流Iout,當Cbody等于Cc時,Iout下降50%,壓擺率也將下降50%。體效應問題在同相放大電路中比較突出,因為共模電壓隨輸入信號變化而變化進而影響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,輸入信號不會影響壓擺率。

影響壓擺率的另一因素是溫度,半導體器件參數的性能與工作溫度相關。在放大器數據手冊中會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

2． 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的方波信號作為輸入激勵(V3)進行瞬態仿真。

圖2．130 ADA4807緩沖電路壓擺率仿真圖

在峰峰值為5V,頻率為20KHz的方波激勵信號上升沿,ADA4807的壓擺率仿真結果,如圖2．131。

圖2．131 ADA4807緩沖電路大信號激勵SR+仿真結果

在50．0033μs時ADA4807的輸出電壓為-2V,在50．0211μs時ADA4807的輸出電壓為+2V(圖2．126中ADA4087壓擺率測試條件為20%到80%),由此可得:

仿真計算結果224．7V/μs近似于ADA4807數據手冊SR+的典型值225V/μs,如圖2．126。

圖2．126 ADA4807動態性能參數

在峰峰值為5V,頻率為20KHz的方波激勵信號下降沿,ADA4807壓擺率仿真結果,如圖2．132。

圖2．132ADA4807緩沖電路大信號激勵SR-仿真結果

在70．013μs時ADA4807的輸出電壓為+2V,在70．0282μs時ADA4807的輸出電壓為-2V(圖2．126中ADA4087壓擺率測試條件為80%到20%),由此可得:

仿真計算結果為263V/μs,接近數據手冊SR-的典型值250V/μs,如圖2．126。

在峰峰值為50mV,頻率為20KHz的方波激勵信號上升沿,ADA4807壓擺率仿真結果,如圖2．133。

圖2．133 ADA4807緩沖電路小信號激勵SR+仿真結果

在50．003μs時ADA4807的輸出電壓為-21．03mV,在50．00091μs時,ADA4807的輸出電壓為+18．93mV,由此可得:

可見在小信號作為激勵時,壓擺率的仿真計算結果為6．5V/μs,遠遠低于ADA4807的SR+壓擺率典型值225V/μs。

比對上述仿真結果可以驗證壓擺率適用于大信號的帶寬分析,但是大信號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時,輸出仍然是小信號。如果將輸入小信號通過增益電路產生大信號輸出時,結論是否不同?

如圖2．134,電路增益設計為125倍,輸入信號是峰峰值為50mV,頻率為20KHz的方波小信號。

圖2．134 ADA4807增益為125倍的小信號激勵SR+仿真電路

在峰峰值為50mV,頻率為20KHz的方波激勵信號上升沿,ADA4807壓擺率仿真結果,如圖2．135。

圖2．135 ADA4807增益為125倍的小信號激勵SR+仿真結果

輸出信號正相的峰值為2．986V,反相峰值為-3．262,電路的閉環增益為:

計算電路增益為124．96倍,符合預期設計。在50．0237μs時ADA4807的輸出電壓為-2．609V,在50．2562μs時ADA4807的輸出電壓為+2．384V,由此可得:

該仿真計算結果為21．4V/μs與數據手冊中SR+指標225V/μs仍然存在很大差異。由此可見,在電路輸出為大信號,輸入為小信號時壓擺率也不會受限。

綜上,由于放大器內部的放大級電路中存在米勒電容,使得放大器的輸入端信號為大信號時,容易由于壓擺率的限制導致放大器的輸出信號產生失真。