压摆率参数为什么会受到限制?

上一篇《计算放大器电路的大信号带宽就用压摆率|LTspice一条指令轻松解锁》一文,收到几位工程师的留言“如何分辨大、小信号?”这个问题是根据工程经验来区分,通常将峰峰值小于100mV的输入信号完全视为小信号进行处理,而在峰峰值大于等于100mV的输入信号的处理中,按照输入大信号分析压摆率的限制。

笔者希望工程师不仅掌握上述结论保证在大信号带宽设计满足项目需求,而且能够深入了解压摆率参数为什么会受到限制?本文将通过分析限制压摆率受到限制原因与LTspice仿真,剖析压摆率参数的使用条件是:

1)  输入端的信号

2)  幅值大的信号

1．压摆率限制原因和影响因素

放大器低频极点是受输入级的米勒补偿电容影响,压摆率是受到放大级米勒补偿电容的影响。

如图2．128,放大器的输入级与放大级电路示意图。输入级跨导gm将输入的差分信号转化为输出电流Iout,Iout流入放大级并对米勒补偿电容进行充电。流过电容的电流(ic)与电容两边电压关系,如式2-80。

当ic为常数时,电容两端的电压将随时间t呈线性变化。

图2．128 放大器放大级米勒电容示意图

所以当放大器输入的差分信号为小信号时,输入级的输出电流Iout远小于极限值,Iout随输入差分信号变化而变化,放大级的输出电压Vo不受影响。而在输入信号为大信号时,输入级的输出电流Iout达到极限值Iout(MAX),即饱和恒流状态,输入级不再遵循“虚短”原则,放大级的输出电压Vo跟随时间以固定斜率呈线性状态增加,这种现象称为压摆率限制。

影响压摆率的重要因素是放大器内部体效应,即半导体基片与衬底会形成PN节,具有结电容(体效应电容),如图2．128输入级Cbody。由于Cbody的形成将分流Iout,当Cbody等于Cc时,Iout下降50%,压摆率也将下降50%。体效应问题在同相放大电路中比较突出,因为共模电压随输入信号变化而变化进而影响Cbody。共模电压越高使得压摆率越低。在反相放大电路中,共模电压为常数,输入信号不会影响压摆率。

影响压摆率的另一因素是温度,半导体器件参数的性能与工作温度相关。在放大器数据手册中会提供压摆率与温度示意图,通常压摆率随着温度上升而在一定范围内增加,如图2．129为ADA4807压摆率与温度示意图。

2．129 ADA4807压摆率与温度示意图