TI高精度实验室系列（运放）：06 压摆率简介

本文将会介绍压摆率的定义和原理，对比压摆率和放大器电流、温度等因素之间的关系，并探讨全功率带宽的概念。

1 定义

压摆率定义为运算放大器输出电压的最大变化率，单位为V/us。
压摆率是通过向运放输入端施加一个大信号阶跃（例如1伏特），并测量输出信号幅度从10%到90%的变化率来确定的。

2 压摆率的原理

2.1 电容充电原理

首先，当电容被一个恒定的电流充电时，电容两端的电压和电流的关系如下
i = C d v d t i=C\frac{dv}{dt}i=Cdtdv​
电容的电压呈直线上升，斜率为 k=i/C。

2.2 放大器内部解析

在放大器内部有一个GM级（跨导级），它将输入差分电压转换为输出电流I_out。 I_out流入下一级，用于给 C_c（称为米勒电容）充电。

对于快速变化的大信号，I_out达到其最大值，并被限制为 I_out(max)。在这种情况下，放大器的输入端将不再呈现“虚短”特性。因此，输入端之间会产生一个差分电压。
由于I_out恒定等于 I_out(max)，米勒电容 C_c两端的 V_out随时间线性上升。此时，放大器的输出达到压摆极限，这是输出电压能改变的最快速度。
更真实的情况如下：

这是一个三极管输入的运放内部的电路：当给运放施加一个快速变化的大阶跃信号时，左边的三极管会截止，右边的三极管会饱和。流过饱和三极管的电流就是 I_out(max)。I_out(max)流入米勒电容 C_c，导致输出电压随时间线性增加。

3 压摆率和静态电流的关系

这里列举了几款运放的压摆率和静态电流的表格：如果放大器的压摆率越高（因此带宽更高），往往电流消耗也越大。

4 压摆率和温度的关系

运放数据手册通常会提供一个用于描述压摆率和温度关系的曲线图，如下图所示。

一般会同时给出正压摆率和负压摆率时的曲线，正压摆率在信号上升时出现，负压摆率在信号下降时出现。通常压摆率的绝对值会随温度的上升而增大。

5 压摆增强电路

有些运放包括了一个压摆增强电路，从而使器件具有更大的压摆率。

这里显示了一个具有压摆增强功能的运放，在大阶跃信号输入时的响应曲线，可以看到这里出现了两段不同的压摆率：

• 初始压摆率很大
• 第二阶段的压摆率较小，输出信号逐渐稳定到终值。

为什么运放不一直保持第一段很大的压摆率呢？
原因在于如果运放只有一段很大的压摆率，输出将在到达终值后出现很大的过冲，或许可以通过某种手段来补偿这种过冲，然而这种补偿，可能会导致反方向变化的信号出现很大过冲，如果这种现象持续下去，将会导致震荡的发生 。

6 全功率带宽

除了大的阶跃方波信号之外，对于任何形式的输入信号，压摆率都会限制放大后的结果，或者导致其失真。相关的指标叫做运放的全功率带宽，它描述了最大输出电压和频率的关系。如下图所示：

以 200kHz 处输出信号为例：

• 7.5V峰值输出信号，在全功率带宽曲线左下方，从而不会受到压摆率的限制
• 10V峰值输出信号，则超出了全功率带宽曲线的范围，将会受到压摆率造成的失真影响

以下两张图展示了仿真结果：

运放的最大输出电压和信号频率之间的关系式如下所示：
v p = S R 2 π f v_p=\frac{SR}{2 \pi f}vp​=2πfSR​
根据这个公式，可以预估信号的变换是否会受全功率带宽的影响。例如运放的压摆率SR=10V/us，信号频率为100kHz，那么运放输出的最大电压约为：
v p = 10 V / u s 2 π ∗ 100 k H z = 10 ∗ 10 6 2 π ∗ 100 ∗ 10 3 V ≈ 15.9 V v_p=\frac{10V/us}{2 \pi *100kHz}=\frac{10*10^6}{2 \pi *100*10^3}V≈15.9Vvp​=2π∗100kHz10V/us​=2π∗100∗10310∗106​V≈15.9V
若输入信号峰值为2V，放大倍数为10倍，则计算出来输出电压应为20V，但这超出了15.9V，会被全功率带宽限制，波形产生畸变。

你们有遇到超出全功率带宽二导致失真问题吗？欢迎评论区讨论！