放大器 , 軌到軌放大器

　　我為應用選擇的放大器的數據手冊同時(shí)規定了小信號帶寬和大信號帶寬，它們是相當不同的規格。我如何確定信號是小信號還是大信號?

　　當談到放大器的帶寬時(shí)，我們討論的其實(shí)是使用小信號模型的放大器頻率響應。該模型的導出前提是電路在偏置點(diǎn)周?chē)蔷€(xiàn)性的;換言之，其增益保持恒定，與施加的信號無(wú)關(guān)。如果信號足夠小，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。

　　所有人都喜歡使用這個(gè)模型，因為它簡(jiǎn)化了設計和分析過(guò)程。如果使用大信號模型——即包括所有非線(xiàn)性方程——電路將變得復雜無(wú)比，至少對我這樣的凡人是如此。1因此，小信號模型和正弦信號將復雜性降低到一個(gè)可處理的水平。

　　但嚴格說(shuō)來(lái)，即便最小的實(shí)際信號也會(huì )稍稍改變晶體管電路(例如運算放大器)的偏置點(diǎn)。信號越大，就越難以忽略非線(xiàn)性效應，其最明顯的表現是失真。在某一點(diǎn)，由于信號過(guò)快且過(guò)大，使得放大器達到其壓擺率限值——相當于放大器輸出的最大變化率，通常用V/μs表示。壓擺率達到限值之后，放大器就會(huì )落后，當信號開(kāi)始斜坡下降時(shí)，放大器尚未達到信號峰值，最后的結果便是信號幅度比預期要小。在該點(diǎn)時(shí)，放大器大致達到了大信號帶寬。一般來(lái)說(shuō)，這發(fā)生在低于小信號帶寬的頻率，信號確定無(wú)疑地發(fā)生了最大的失真。但信號不會(huì )突然發(fā)生徹底失真，而是逐漸增加失真的幅度和頻率。當失真超過(guò)系統的容限時(shí)，我們可以說(shuō)信號過(guò)大。

　　圖1.當一個(gè)80 MHz放大器達到大信號帶寬條件時(shí)，輸出信號(紅色)便不再能跟隨3 MHz輸入正弦波(綠色)。

　　那么，我們如何知道放大器足夠快，能夠處理某個(gè)信號呢?首先，像平常一樣，確保小信號帶寬對于所需增益是足夠的。然后，查看數據手冊中的大信號帶寬規格(或圖形)。如果沒(méi)有提供，最簡(jiǎn)單的辦法是回到基本原理，使用以下公式計算：

　　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)驗法則是選擇壓擺率比所需值大10倍的放大器。然后，看看數據手冊中所需頻率和幅度下的失真曲線(xiàn)，確保信號對放大器而言足夠小。

　　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帶寬約為180 MHz，但對于2 V p-p信號，放大器將不能超過(guò)36 MHz。對于4 V p-p信號，理論限值將降低到大約18 MHz。另外，壓擺率通常用階躍來(lái)測量，低于階躍時(shí)，內部壓擺增強電路會(huì )啟動(dòng)以改善建立時(shí)間，但對正弦信號的響應實(shí)際上可能略低(在2 V p-p下，數據手冊規定的大信號帶寬為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、更高和更強的信號。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Gustavo Castro

　　ADI公司線(xiàn)性產(chǎn)品部門(mén)應用工程師

　　Gustavo Castro [gustavo.castro@analog.com]是馬薩諸塞州威明頓市線(xiàn)性和精密技術(shù)部門(mén)的應用工程師。其主要興趣是精密信號調理和電子儀器的模擬與混合信號設計。2011年加入ADI公司之前，他在National Instruments從事高性能數字萬(wàn)用表和精密直流源設計工作達10年。Gustavo擁有墨西哥蒙特利技術(shù)學(xué)院電子系統學(xué)士學(xué)位和美國東北大學(xué)微系統與材料碩士學(xué)位。他擁有三項專(zhuān)利。