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。在信號的上升沿,從峰值的 20%提高到 80%時,壓擺率(SR+)為 225V/μs。在信號的下降沿,從峰值的 80%下降到 20%時,壓擺率(SR-)為 250V/μs。
圖 2.126 ADA4807 動態(tài)性能參數(shù)
在數(shù)據(jù)手冊中,沒有明確提供壓擺率參數(shù)的放大器,可以使用大信號瞬態(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)手冊中可以獲得壓擺率參數(shù),但是在工程師設(shè)計中最終需要的是大信號帶寬,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,輸出為指定最大幅度,在此狀態(tài)下增大輸入信號的頻率直到輸出信號因為壓擺率限制導(dǎo)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(dǎo),得到式 2-76。
當(dāng) dv/dt 達(dá)到最大時,函數(shù)式為 2-77。
式中 MAX 表示在函數(shù) 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(yīng)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(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峰峰值決定。當(dāng)壓擺率為常數(shù)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(dāng)輸入信號峰峰值為 2V 時,其滿功率帶寬為 17.9MHz。當(dāng)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(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,必然會導(dǎo)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(chǎn)品研發(fā)中,將 AD8065 設(shè)計為電路第二級的緩沖器,調(diào)試中發(fā)現(xiàn)輸出信號產(chǎn)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(chǎn)生失真。如圖 1,工程師對比過 AD8065 的 -3dB 信號帶寬為 145MHz 沒有發(fā)現(xiàn)異議。
圖 1 AD8065 動態(tài)性能參數(shù)
筆者向工程師解釋問題在于±0.1~±1V 的信號屬于大信號范圍,應(yīng)該使用壓擺率計算全功率帶寬的方法進(jìn)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(jìn)行仿真完全可以暴露設(shè)計漏洞,規(guī)避壓擺率限制問題,高效優(yōu)質(zhì)地完成硬件設(shè)計工作。如圖 2.136,將信號源 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 的輸出信號對比輸入信號的仿真結(jié)果,如圖 2.137。當(dāng)輸入信號頻率為 10MHz、14MHz 時,輸出完全跟隨輸入;當(dāng)信號頻率為 18MHz 時,其輸出稍有失真;當(dāng)信號頻率為 22MHz 時,其輸出明顯失真;當(dāng)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。
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,以及輸入信號為 3.3V,電路增益為 2 倍時滿功率帶寬典型值為 60MHz。
圖 2 ADA4817 動態(tài)性能參數(shù)
結(jié)果如圖 2.138,輸入正弦信號峰值為±1V,在頻率為 10~30MHz 范圍內(nèi),輸出信號 V(out)完全跟隨與輸入信號 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