放大器 , 軌到軌放大器

　　我為應(yīng)用選擇的放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)同時(shí)規(guī)定了小信號(hào)帶寬和大信號(hào)帶寬，它們是相當(dāng)不同的規(guī)格。我如何確定信號(hào)是小信號(hào)還是大信號(hào)?

　　當(dāng)談到放大器的帶寬時(shí)，我們討論的其實(shí)是使用小信號(hào)模型的放大器頻率響應(yīng)。該模型的導(dǎo)出前提是電路在偏置點(diǎn)周圍是線性的;換言之，其增益保持恒定，與施加的信號(hào)無關(guān)。如果信號(hào)足夠小，該模型會(huì)非常有效，其與實(shí)際情況的偏差幾乎難以檢測(cè)。

　　所有人都喜歡使用這個(gè)模型，因?yàn)樗喕嗽O(shè)計(jì)和分析過程。如果使用大信號(hào)模型——即包括所有非線性方程——電路將變得復(fù)雜無比，至少對(duì)我這樣的凡人是如此。1因此，小信號(hào)模型和正弦信號(hào)將復(fù)雜性降低到一個(gè)可處理的水平。

　　但嚴(yán)格說來，即便最小的實(shí)際信號(hào)也會(huì)稍稍改變晶體管電路(例如運(yùn)算放大器)的偏置點(diǎn)。信號(hào)越大，就越難以忽略非線性效應(yīng)，其最明顯的表現(xiàn)是失真。在某一點(diǎn)，由于信號(hào)過快且過大，使得放大器達(dá)到其壓擺率限值——相當(dāng)于放大器輸出的最大變化率，通常用V/μs表示。壓擺率達(dá)到限值之后，放大器就會(huì)落后，當(dāng)信號(hào)開始斜坡下降時(shí)，放大器尚未達(dá)到信號(hào)峰值，最后的結(jié)果便是信號(hào)幅度比預(yù)期要小。在該點(diǎn)時(shí)，放大器大致達(dá)到了大信號(hào)帶寬。一般來說，這發(fā)生在低于小信號(hào)帶寬的頻率，信號(hào)確定無疑地發(fā)生了最大的失真。但信號(hào)不會(huì)突然發(fā)生徹底失真，而是逐漸增加失真的幅度和頻率。當(dāng)失真超過系統(tǒng)的容限時(shí)，我們可以說信號(hào)過大。

　　圖1.當(dāng)一個(gè)80 MHz放大器達(dá)到大信號(hào)帶寬條件時(shí)，輸出信號(hào)(紅色)便不再能跟隨3 MHz輸入正弦波(綠色)。

　　那么，我們?nèi)绾沃婪糯笃髯銐蚩?，能夠處理某個(gè)信號(hào)呢?首先，像平常一樣，確保小信號(hào)帶寬對(duì)于所需增益是足夠的。然后，查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的大信號(hào)帶寬規(guī)格(或圖形)。如果沒有提供，最簡單的辦法是回到基本原理，使用以下公式計(jì)算：

　　SR [V/μs] = Peak_Amplitude × 6.28 × Frequency [MHz]

　　壓擺率[V/μs] = 峰值幅度 × 6.28 × 頻率[MHz]

　　一條管用的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇壓擺率比所需值大10倍的放大器。然后，看看數(shù)據(jù)手冊(cè)中所需頻率和幅度下的失真曲線，確保信號(hào)對(duì)放大器而言足夠小。

　　例如，作為電壓跟隨器的ADA4807-1采用±5 V電源供電時(shí)，具有225 V/μs的壓擺率。雖然放大器的小信號(hào)帶寬約為180 MHz，但對(duì)于2 V p-p信號(hào)，放大器將不能超過36 MHz。對(duì)于4 V p-p信號(hào)，理論限值將降低到大約18 MHz。另外，壓擺率通常用階躍來測(cè)量，低于階躍時(shí)，內(nèi)部壓擺增強(qiáng)電路會(huì)啟動(dòng)以改善建立時(shí)間，但對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)實(shí)際上可能略低(在2 V p-p下，數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的大信號(hào)帶寬為28 MHz)。典型特性部分中的失真圖顯示了諧波失真隨頻率和幅度而提高的情況，由此可以確定您是否能使用更快、更高和更強(qiáng)的信號(hào)。

　　作者簡介

　　Gustavo Castro

　　ADI公司線性產(chǎn)品部門應(yīng)用工程師

　　Gustavo Castro [gustavo.castro@analog.com]是馬薩諸塞州威明頓市線性和精密技術(shù)部門的應(yīng)用工程師。其主要興趣是精密信號(hào)調(diào)理和電子儀器的模擬與混合信號(hào)設(shè)計(jì)。2011年加入ADI公司之前，他在National Instruments從事高性能數(shù)字萬用表和精密直流源設(shè)計(jì)工作達(dá)10年。Gustavo擁有墨西哥蒙特利技術(shù)學(xué)院電子系統(tǒng)學(xué)士學(xué)位和美國東北大學(xué)微系統(tǒng)與材料碩士學(xué)位。他擁有三項(xiàng)專利。