【導(dǎo)讀】在技術(shù)支持過程中，常常遇到工程師質(zhì)疑放大器的增益帶寬積參數(shù)“摻水”啦?。?！設(shè)計(jì)中明明預(yù)留很大余量，但是電路的輸出波形依然出現(xiàn)失真的情況。其實(shí)，在交流信號(hào)調(diào)理電路的帶寬評(píng)估中，應(yīng)該區(qū)分對(duì)待輸入信號(hào)是小信號(hào)，還是大信號(hào)。
在技術(shù)支持過程中，常常遇到工程師質(zhì)疑放大器的增益帶寬積參數(shù)“摻水”啦?。?！設(shè)計(jì)中明明預(yù)留很大余量，但是電路的輸出波形依然出現(xiàn)失真的情況。其實(shí)，在交流信號(hào)調(diào)理電路的帶寬評(píng)估中，應(yīng)該區(qū)分對(duì)待輸入信號(hào)是小信號(hào)，還是大信號(hào)。如果輸入信號(hào)是小信號(hào)使用增益帶寬積參數(shù)是合理的，而當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，還使用增益帶寬積參數(shù)進(jìn)行評(píng)將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷。本篇將通過一個(gè)實(shí)例分析，壓擺率與大信號(hào)帶寬（滿功率帶寬）的關(guān)系，以及一種快捷仿真滿功率帶寬的方式。
01、壓擺率定義
壓擺率（Slew Rate，SR）定義為由輸入大信號(hào)階躍變化引起的輸出電壓變化率，常用單位是 V/μs。如圖 2.125，在緩沖器電路的輸入端提供一個(gè)由最低輸入信號(hào)到最高輸入信號(hào)的階躍變化 Vin，放大器受到壓擺率參數(shù)的影響，輸出信號(hào) Vo 對(duì)于大信號(hào)的響應(yīng)以最快的變化速率（dV/dt）上升，直到輸出信號(hào)達(dá)到與輸入信號(hào)等幅值。
圖 2.125 壓擺率參數(shù)工作示意圖
應(yīng)當(dāng)注意放大器上升、下降過程中的壓擺率可能不同，以及壓擺率參數(shù)的測(cè)試條件。如圖 2.126，在±5V 電源供電，增益為 1 倍的電路中，ADA4807 輸出 5V 階躍信號(hào)。在信號(hào)的上升沿，從峰值的 20%提高到 80%時(shí)，壓擺率(SR+)為 225V/μs。在信號(hào)的下降沿，從峰值的 80%下降到 20%時(shí)，壓擺率(SR-)為 250V/μs。
圖 2.126 ADA4807 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)
在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，沒有明確提供壓擺率參數(shù)的放大器，可以使用大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)圖。如圖 2.127，估讀Δt、ΔV，按照壓擺率定義估算壓擺率的范圍。
圖 2.127 ADA4807 大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)
02、壓擺率與滿功率帶寬的關(guān)系
雖然在數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以獲得壓擺率參數(shù)，但是在工程師設(shè)計(jì)中最終需要的是大信號(hào)帶寬，即滿功率帶寬（Full Power Bandwidth，F(xiàn)PBW）。它是指放大器在指定閉環(huán)增益與指定負(fù)載的條件下，輸入正弦波時(shí)，輸出為指定最大幅度，在此狀態(tài)下增大輸入信號(hào)的頻率直到輸出信號(hào)因?yàn)閴簲[率限制導(dǎo)致失真的頻率點(diǎn)。
滿功率帶寬的計(jì)算過程如下：
輸入信號(hào)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(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到式 2-76。
當(dāng) dv/dt 達(dá)到最大時(shí)，函數(shù)式為 2-77。
式中 MAX 表示在函數(shù) cos 等于 1 的時(shí)候取得最大值。即在 Sin 信號(hào) t =0 時(shí)的壓擺率值。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率就是滿功率帶寬，式 2-77 變換為式 2-78。
由式 2-78，調(diào)整為滿功率帶寬的函數(shù)式，如式 2-79。
可見，滿功率帶寬由壓擺率和信號(hào)峰峰值決定。當(dāng)壓擺率為常數(shù)時(shí)，信號(hào)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(dāng)輸入信號(hào)峰峰值為 2V 時(shí)，其滿功率帶寬為 17.9MHz。當(dāng)信號(hào)峰峰值為 4V 時(shí)，其滿功率帶寬僅為 8.95MHz。所以在大信號(hào)作輸入激勵(lì)的 ADA4807 應(yīng)用電路中，仍然使用增益帶寬積（-3dB 帶寬為 180MHz）進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)導(dǎo)致電路輸出信號(hào)失真。
03、壓擺率與滿功率帶寬實(shí)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(chǎn)品研發(fā)中，將 AD8065 設(shè)計(jì)為電路第二級(jí)的緩沖器，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)產(chǎn)生失真。
電路如圖 2.136，輸入信號(hào)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(hào)為±1V，信號(hào)頻率超過 20MHz 時(shí)，AD8065 的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真。如圖 1，工程師對(duì)比過 AD8065 的 -3dB 信號(hào)帶寬為 145MHz 沒有發(fā)現(xiàn)異議。
圖 1 AD8065 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)
筆者向工程師解釋問題在于±0.1~±1V 的信號(hào)屬于大信號(hào)范圍，應(yīng)該使用壓擺率計(jì)算全功率帶寬的方法進(jìn)行評(píng)估。AD8605 在±5V 供電，輸入信號(hào)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(jìn)行仿真完全可以暴露設(shè)計(jì)漏洞，規(guī)避壓擺率限制問題，高效優(yōu)質(zhì)地完成硬件設(shè)計(jì)工作。如圖 2.136，將信號(hào)源 V3 設(shè)置為正弦波，峰峰值為 2V，頻率設(shè)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(hào)對(duì)比輸入信號(hào)的仿真結(jié)果，如圖 2.137。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為 10MHz、14MHz 時(shí)，輸出完全跟隨輸入；當(dāng)信號(hào)頻率為 18MHz 時(shí)，其輸出稍有失真；當(dāng)信號(hào)頻率為 22MHz 時(shí)，其輸出明顯失真；當(dāng)信號(hào)頻率為 26MHz、30MHz 時(shí)，其輸出受壓擺率限制完全失真成為三角波，斜率為壓擺率。
圖 2.137 AD8065 緩沖電路的滿功率帶寬仿真結(jié)果
將電路中 AD8065 替換為筆者推薦的 ADA4817，再次進(jìn)行仿真。如圖 2，數(shù)據(jù)手冊(cè)中，提供了 ADA4817 在±5V 供電，4V 階躍的條件下，壓擺率典型值為 870V/μs，以及輸入信號(hào)為 3.3V，電路增益為 2 倍時(shí)滿功率帶寬典型值為 60MHz。
圖 2 ADA4817 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)
結(jié)果如圖 2.138，輸入正弦信號(hào)峰值為±1V,在頻率為 10~30MHz 范圍內(nèi)，輸出信號(hào) V（out）完全跟隨與輸入信號(hào) V（in）變化而變化，沒有再發(fā)生失真現(xiàn)象。
圖 2.138 ADA4817 緩沖電路的滿功率帶寬仿真結(jié)果
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