壓擺率與大信號(hào)帶寬(滿功率帶寬)的關(guān)系

筆者在技術(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,FPBW)。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(zhǎng)。

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

通過這個(gè)實(shí)例可以讓大家更直觀感受到,在大信號(hào)帶寬的設(shè)計(jì)中,需要使用的參數(shù)是壓擺率。以及在電路選型評(píng)估中,使用LTspice的參數(shù)掃描指令,實(shí)現(xiàn)電路大信號(hào)帶寬的高效驗(yàn)證。這也是為什么最近一年多的時(shí)間里,在筆者所支持的工程師群體中,LTspice已經(jīng)成為不可或缺的仿真評(píng)估軟件的原因。