TI高精度實驗室-運算放大器-第六節-壓擺率
首先來看什麼是壓擺率 壓擺率被定義爲運放輸出電壓可以達到的 最大擺動速率 它以 V/us 爲單位 測量壓擺率時可以在運放的輸入端 加入一個較大的階躍信號 比如 1V 幅值 然後測量輸出端的電壓擺動 即測量輸出電平從最終輸出量的 10% 增加到 90% 時的時間間隔 有些運放的數據手冊中 會專門給出壓擺率指標 有些則用大信號的階躍響應來代替 在這個例子中 我們可以看到 輸出電壓滿幅爲 10V 滿幅的 10% 和 90% 對應的電平 分別爲 1V 和 9V 它們之間的上升時間爲 0.25 微秒 從而可以計算出這裏的壓擺率爲 29V/us 壓擺率主要描述了 運放在大信號輸入時的響應指標
讓我們先來複習一些基礎知識 這個等式描述的是流經電容器的電流 等於電容器容值乘以電容器兩端電壓 隨時間的變化率 當電流恆定時 電容器兩端電壓將會隨着時間成線性變化 從而可以表示爲v=mt 其中 v(t) 是電壓的瞬時值 m 是圖中直線的斜率 壓擺率是運放的一個很重要的參數 下面我們等效畫出運放的輸入極和放大極 輸入極有個跨導增益 gm 它把運放差分對管輸入的電壓 轉化爲本極的輸出電流 Iout Iout 流入放大極 並對放大極的密勒電容 即圖中的 Cc 進行充電 根據上一頁幻燈片的說明 當 Iout 是常數時 Cc 兩端電壓將會線性增加 對於緩慢變化的信號 Iout 遠小於本極的飽和輸出電流 Iout(max) 這說明 Iout 會隨着輸入差分電壓而變化 但對於快速變化的大信號 Iout 將會達到其飽和電流值 在這個例子中 Iout 飽和後運放的輸入 將不再是虛短路 即運放的正負輸入端引腳間的電壓不再相等 因爲 Iout 達到飽和成爲常數 Cc 兩端的電壓 Vout 將會隨時間以固定斜率線性增加 此時就認爲運放達到壓擺極限 即其輸出轉換速度達到了最快
體效應（body effect） 是一種常見的影響壓擺率的效應 通過改變共模電壓 體效應使放大器的壓擺率降低 這種影響在同相輸入結構的運放電路中尤其明顯 因爲此時共模電壓會隨輸入電壓的變化而變化 對同相放大電路 共模電壓越高壓擺率越低 一般放大器的壓擺率都是在同相電路下測試的 即在最壞條件下測試的
我們此處假設晶體管爲 PMOS 即 P 型 MOSFET 圖中所示爲典型的 PMOS 橫截面 它在 P 型的硅基片上 嵌入了 N 型井作爲襯底 在襯底兩端各嵌入了 P 型的源極和漏極 從圖中可見 在 P 型硅基片 和 N 型襯底之間會形成一個二極管 通常這個二極管是反偏的 當改變芯片工作時的共模電壓 即改變二極管 PN 結兩端電壓時 因爲 pn 結耗盡層寬度變化 結電容大小也會發生變化 我們重新回顧一下運放的輸入級 來看看體效應電容對壓擺率的影響 和前面的視頻教程一樣 我們在運放輸入引腳之間 施加一個大階躍信號 圖中左邊的 PMOS 截止 右邊 PMOS 導通 從而輸入級的所有電流 Iinput 從右邊 PMOS 流過造成 Iout 飽和 運放輸出達到壓擺率上限 然而 一端接地的體效應電容 爲 Iout 提供了另一條支路 使得流入密勒電容的電流減小 因爲密勒電容兩端的電壓 和流經電容的電流呈線性關係 所以體效應電容造成的分流 使運放的壓擺率降低 在這個例子中 體效應電容和密勒電容都等於 20pF 所以 Iout 是 Iinput 的一半 根據壓擺率=Iout/Cc 可知 運放的壓擺率也是沒有體效應電容時的一半 通過充電 體效應電容兩端電壓最後會等於共模電壓
