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(wèn)題是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(mǎn)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(guò)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:

1)  輸入端的信號(hào)

2)  幅值大的信號(hào)

1．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(guò)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(xiàn)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(xiàn)性狀態(tài)增加,這種現(xiàn)象稱(chēng)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(wèn)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