|压摆率为何会导致放大器输出信号失真？

1. 压摆率限制原因和影响因素
放大器低频极点是受输入级的米勒补偿电容影响，压摆率是受到放大级米勒补偿电容的影响。
如图 2.128 ，放大器的输入级与放大级电路示意图。输入级跨导 gm 将输入的差分信号转化为输出电流 Iout ， Iout 流入放大级并对米勒补偿电容进行充电。流过电容的电流(ic)与电容两边电压关系，如式 2-80 。

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当 ic 为常数时，电容两端的电压将随时间 t 呈线性变化。

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图 2.128 放大器放大级米勒电容示意图
所以当放大器输入的差分信号为小信号时，输入级的输出电流 Iout 远小于极限值， Iout 随输入差分信号变化而变化，放大级的输出电压 Vo 不受影响。而在输入信号为大信号时，输入级的输出电流 Iout 达到极限值 Iout（MAX），即饱和恒流状态，输入级不再遵循“虚短”原则，放大级的输出电压 Vo 跟随时间以固定斜率呈线性状态增加，这种现象称为压摆率限制。
影响压摆率的重要因素是放大器内部体效应，即半导体基片与衬底会形成 PN 节，具有结电容（体效应电容），如图 2.128 输入级 Cbody 。由于 Cbody 的形成将分流 Iout ，当 Cbody 等于 Cc 时， Iout 下降 50% ，压摆率也将下降 50% 。体效应问题在同相放大电路中比较突出，因为共模电压随输入信号变化而变化进而影响 Cbody 。共模电压越高使得压摆率越低。在反相放大电路中，共模电压为常数，输入信号不会影响压摆率。
影响压摆率的另一因素是温度，半导体器件参数的性能与工作温度相关。在放大器数据手册中会提供压摆率与温度示意图，通常压摆率随着温度上升而在一定范围内增加，如图 2.129 为 ADA4807 压摆率与温度示意图。

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2.129 ADA4807 压摆率与温度示意图
2. 压摆率仿真
压摆率仿真电路如图 2.130 ，使用 ADA4807 组建的缓冲器电路，分别以峰峰值为 5V 和 50mV ，频率为 20KHz 的方波信号作为输入激励（V3）进行瞬态仿真。

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图 2.130ADA4807 缓冲电路压摆率仿真图
在峰峰值为 5V ，频率为 20KHz 的方波激励信号上升沿， ADA4807 的压摆率仿真结果，如图 2.131 。
【|压摆率为何会导致放大器输出信号失真？】

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图 2.131 ADA4807 缓冲电路大信号激励 SR+仿真结果
在 50.0033μs 时 ADA4807 的输出电压为 -2V ，在 50.0211μs 时 ADA4807 的输出电压为+2V（图 2.126 中 ADA4087 压摆率测试条件为 20%到 80%），由此可得：

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仿真计算结果 224.7V/μs 近似于 ADA4807 数据手册 SR+的典型值 225V/μs ，如图 2.126 。

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图 2.126 ADA4807 动态性能参数
在峰峰值为 5V ，频率为 20KHz 的方波激励信号下降沿， ADA4807 压摆率仿真结果，如图 2.132 。

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图 2.132ADA4807 缓冲电路大信号激励 SR- 仿真结果
在 70.013μs 时 ADA4807 的输出电压为+2V ，在 70.0282μs 时 ADA4807 的输出电压为 -2V(图 2.126 中 ADA4087 压摆率测试条件为 80%到 20%），由此可得：

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仿真计算结果为 263V/μs,接近数据手册 SR- 的典型值 250V/μs ，如图 2.126 。
在峰峰值为 50mV ，频率为 20KHz 的方波激励信号上升沿， ADA4807 压摆率仿真结果，如图 2.133 。

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图 2.133 ADA4807 缓冲电路小信号激励 SR+仿真结果
在 50.003μs 时 ADA4807 的输出电压为 -21.03mV ，在 50.00091μs 时， ADA4807 的输出电压为+18.93mV ，由此可得：

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可见在小信号作为激励时，压摆率的仿真计算结果为 6.5V/μs ，远远低于 ADA4807 的 SR+压摆率典型值 225V/μs 。
比对上述仿真结果可以验证压摆率适用于大信号的带宽分析，但是大信号是作为输入条件还是输出条件仍有疑问。上述缓冲器电路在输入小信号时，输出仍然是小信号。如果将输入小信号通过增益电路产生大信号输出时，结论是否不同？
如图 2.134 ，电路增益设计为 125 倍，输入信号是峰峰值为 50mV ，频率为 20KHz 的方波小信号。

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图 2.134 ADA4807 增益为 125 倍的小信号激励 SR+仿真电路
在峰峰值为 50mV ，频率为 20KHz 的方波激励信号上升沿， ADA4807 压摆率仿真结果，如图 2.135 。

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图 2.135 ADA4807 增益为 125 倍的小信号激励 SR+仿真结果
输出信号正相的峰值为 2.986V,反相峰值为 -3.262 ，电路的闭环增益为：

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计算电路增益为 124.96 倍，符合预期设计。在 50.0237μs 时 ADA4807 的输出电压为 -2.609V ，在 50.2562μs 时 ADA4807 的输出电压为+2.384V ，由此可得：

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该仿真计算结果为 21.4V/μs 与数据手册中 SR+指标 225V/μs 仍然存在很大差异。由此可见，在电路输出为大信号，输入为小信号时压摆率也不会受限。
综上，由于放大器内部的放大级电路中存在米勒电容，使得放大器的输入端信号为大信号时，容易由于压摆率的限制导致放大器的输出信号产生失真。分页标题