電路的輸出波形為什么會出現失真的情況？
02 壓擺率與滿功率帶寬的關系
雖然在數據手冊中可以獲得壓擺率參數,但是在工程師設計中最終需要的是大信號帶寬,即滿功率帶寬(Full Power Bandwidth,FPBW)。它是指放大器在指定閉環增益與指定負載的條件下,輸入正弦波時,輸出為指定最大幅度,在此狀態下增大輸入信號的頻率直到輸出信號因為壓擺率限制導致失真的頻率點。
滿功率帶寬的計算過程如下:
輸入信號是峰峰值為Vpp,頻率為f的正弦波,通過單位增益電路的輸出電壓為式2-75。
輸出電壓對時間求導,得到式2-76。
當dv/dt 達到最大時,函數式為2-77。
式中MAX表示在函數cos等于1的時候取得最大值。即在Sin信號 t =0 時的壓擺率值。此時,對應的信號頻率就是滿功率帶寬,式2-77變換為式2-78。
由式2-78,調整為滿功率帶寬的函數式,如式2-79。
可見,滿功率帶寬由壓擺率和信號峰峰值決定。當壓擺率為常數時,信號峰峰值越大,滿功率帶寬越小。如圖2．126,ADA4807的上升壓擺率為225V/μs,當輸入信號峰峰值為2V時,其滿功率帶寬為17．9MHz。當信號峰峰值為4V時,其滿功率帶寬僅為8．95MHz。所以在大信號作輸入激勵的ADA4807應用電路中,仍然使用增益帶寬積(-3dB帶寬為180MHz)進行設計,必然會導致電路輸出信號失真。
03 壓擺率與滿功率帶寬實例分析
去年4月中旬,筆者接觸到一位剛剛成立工作室的工程師,在首款產品研發中,將AD8065設計為電路第二級的緩沖器,調試中發現輸出信號產生失真。
電路如圖2．136,輸入信號是幅值為±0．1～±1V ,頻率為10～30MHz的正弦波,工程師反饋在輸入信號為±1V,信號頻率超過20MHz時,AD8065的輸出信號會產生失真。如圖1,工程師對比過AD8065的-3dB 信號帶寬為145MHz沒有發現異議。
圖1 AD8065動態性能參數
筆者向工程師解釋問題在于±0．1～±1V的信號屬于大信號范圍,應該使用壓擺率計算全功率帶寬的方法進行評估。AD8605在±5V供電,輸入信號峰峰值為2V,滿功率帶寬為:
該問題如果工程師在方案選型階段使用LTspice進行仿真完全可以暴露設計漏洞,規避壓擺率限制問題,高效優質地完成硬件設計工作。如圖2．136,將信號源V3設置為正弦波,峰峰值為2V,頻率設置可變參量f,變化范圍是10～30MHz,以4MHz為步長。
圖2．136 AD8605緩沖電路
AD8065的輸出信號對比輸入信號的仿真結果,如圖2．137。當輸入信號頻率為10MHz、14MHz時,輸出完全跟隨輸入;當信號頻率為18MHz時,其輸出稍有失真;當信號頻率為22MHz時,其輸出明顯失真;當信號頻率為26MHz、30MHz時,其輸出受壓擺率限制完全失真成為三角波,斜率為壓擺率。
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