筆者在技術(shù)支持過(guò)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?。。≡O(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)估，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺陷。本篇將通過(guò)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。
1.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(guò)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)
如圖2.127，沒(méi)有明確提供壓擺率參數(shù)的放大器，使用大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)圖估讀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)
2.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)，稱為滿功率帶寬。
滿功率帶寬的計(jì)算過(guò)程如下：
輸入峰值為Vp，頻率為f的正弦波信號(hào)，通過(guò)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(jiàn)，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（100MHz）進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)導(dǎo)致電路輸出失真。
3.壓擺率與全功率帶寬實(shí)例分析
2019年4月中旬，筆者接觸到一位剛剛成立工作室的工程師，首款產(chǎn)品研發(fā)中使用AD8065設(shè)計(jì)為電路第二級(jí)的緩沖器，調(diào)試中出現(xiàn)信號(hào)失真現(xiàn)象。
電路如圖2.136，輸入信號(hào)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(guò)20MHz時(shí)，AD8065的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真，工程師對(duì)比過(guò)-3dB的信號(hào)帶寬為145MHz沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異議。
筆者向工程師解釋問(wèn)題在于±0.1~±1V的信號(hào)屬于大信號(hào)范圍，以及使用壓擺率計(jì)算全功率帶寬進(jìn)行評(píng)估的方法。AD8605在±5V供電，輸入信號(hào)峰峰值為2V，全功率帶寬為：
該問(wèn)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(wèn)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 AD8065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緩沖電路的全功率帶寬仿真結(jié)果
將AD8065替換為筆者推薦的ADA4817（±5V供電，4V階躍，壓擺率870V/μs）再次仿真，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(méi)有發(fā)生失真問(wèn)題。
圖2.138 ADA4817緩沖電路的全功率帶寬仿真結(jié)果
通過(guò)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。