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

 

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(hào)作為輸入激勵(lì)（V3）進(jìn)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(lì)信號(hào)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(hào)激勵(lì) SR+仿真結(jié)果

 

在 50.0033μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為 -2V，在 50.0211μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為+2V（圖 2.126 中 ADA4087 壓擺率測(cè)試條件為 20%到 80%），由此可得：

 

 

 

仿真計(jì)算結(jié)果 224.7V/μs 近似于 ADA4807 數(shù)據(jù)手冊(cè) SR+的典型值 225V/μs，如圖 2.126。

 

 

圖 2.126 ADA4807 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)

 

在峰峰值為 5V，頻率為 20KHz 的方波激勵(lì)信號(hào)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(hào)激勵(lì) SR- 仿真結(jié)果

 

在 70.013μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為+2V，在 70.0282μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為 -2V(圖 2.126 中 ADA4087 壓擺率測(cè)試條件為 80%到 20%），由此可得：

 

 

 

仿真計(jì)算結(jié)果為 263V/μs,接近數(shù)據(jù)手冊(cè) 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(lì)信號(hào)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(hào)激勵(lì) SR+仿真結(jié)果

 

在 50.003μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為 -21.03mV，在 50.00091μs 時(shí)，ADA4807 的輸出電壓為+18.93mV，由此可得：

 

 

 

可見(jiàn)在小信號(hào)作為激勵(lì)時(shí)，壓擺率的仿真計(jì)算結(jié)果為 6.5V/μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 ADA4807 的 SR+壓擺率典型值 225V/μs。

 

比對(duì)上述仿真結(jié)果可以驗(yàn)證壓擺率適用于大信號(hào)的帶寬分析，但是大信號(hào)是作為輸入條件還是輸出條件仍有疑問(wèn)。上述緩沖器電路在輸入小信號(hào)時(shí)，輸出仍然是小信號(hào)。如果將輸入小信號(hào)通過(guò)增益電路產(chǎn)生大信號(hào)輸出時(shí)，結(jié)論是否不同？

 

如圖 2.134，電路增益設(shè)計(jì)為 125 倍，輸入信號(hào)是峰峰值為 50mV，頻率為 20KHz 的方波小信號(hào)。

 

 

圖 2.134 ADA4807 增益為 125 倍的小信號(hào)激勵(lì) SR+仿真電路

 

在峰峰值為 50mV，頻率為 20KHz 的方波激勵(lì)信號(hào)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(hào)激勵(lì) SR+仿真結(jié)果

 

輸出信號(hào)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(jì)算電路增益為 124.96 倍，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。在 50.0237μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為 -2.609V，在 50.2562μs 時(shí) ADA4807 的輸出電壓為+2.384V，由此可得：

 

 

 

該仿真計(jì)算結(jié)果為 21.4V/μs 與數(shù)據(jù)手冊(cè)中 SR+指標(biāo) 225V/μs 仍然存在很大差異。由此可見(jiàn)，在電路輸出為大信號(hào)，輸入為小信號(hào)時(shí)壓擺率也不會(huì)受限。

 

綜上，由于放大器內(nèi)部的放大級(jí)電路中存在米勒電容，使得放大器的輸入端信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，容易由于壓擺率的限制導(dǎo)致放大器的輸出信號(hào)產(chǎn)生失真。