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 2.130ADA4807 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 2.132 ADA4807 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。