為什么放大器壓擺率會受到輸入端大信號的限制

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(jù)工程經(jīng)驗來區(qū)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(jié)論保證在大信號帶寬設(shè)計滿足項目需求,而且能夠深入了解壓擺率參數(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(guān)系,如式2-80。

當ic為常數(shù)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(tài),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(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),即半導體基片與襯底會形成PN節(jié),具有結(jié)電容(體效應(yīng)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(yīng)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(shù),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(shù)的性能與工作溫度相關(guān)。在放大器數(shù)據(jù)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(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

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(tài)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(jié)果,如圖2．131。

圖2．131 ADA4807緩沖電路大信號激勵SR+仿真結(jié)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(jié)果224．7V/μs近似于ADA4807數(shù)據(jù)手冊SR+的典型值225V/μs,如圖2．126。

圖2．126 ADA4807動態(tài)性能參數(shù)

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(jié)果,如圖2．132。

圖2．132ADA4807緩沖電路大信號激勵SR-仿真結(jié)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(jié)果為263V/μs,接近數(shù)據(jù)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(jié)果,如圖2．133。

圖2．133 ADA4807緩沖電路小信號激勵SR+仿真結(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)生大信號輸出時,結(jié)論是否不同?

如圖2．134,電路增益設(shè)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(jié)果,如圖2．135。

圖2．135 ADA4807增益為125倍的小信號激勵SR+仿真結(jié)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(huán)增益為:

計算電路增益為124．96倍,符合預期設(shè)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(jié)果為21．4V/μs與數(shù)據(jù)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(nèi)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(chǎn)生失真。