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壓擺率參數為什么會受到限制?

2020-12-04 16:07

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?”這個問題是根據工程經驗來區分,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論保證在大信號帶寬設計滿足項目需求,而且能夠深入了解壓擺率參數為什么會受到限制?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)與電容兩邊電壓關系,如式2-80。

當ic為常數時,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,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增加,這種現象稱為壓擺率限制。

影響壓擺率的重要因素是放大器內部體效應,即半導體基片與襯底會形成PN節,具有結電容(體效應電容),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,輸入信號不會影響壓擺率。

影響壓擺率的另一因素是溫度,半導體器件參數的性能與工作溫度相關。在放大器數據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增加,如圖2．129為ADA4807壓擺率與溫度示意圖。