压摆率限制了运放的速度

作者: ti专家Bruce Trump
翻译: TI信号链工程师 Rickey Xiong (熊尧)

运放的压摆动作经常被误解。压摆率是一个内容较多的话题，我们需要将它进行分类讨论。
运放输入级电路的两个输入端之间的电压通常非常小------理想情况下为零，对吗？但是，输入信号突然地改变会短暂打破反馈回路的平衡，在运放的输入端产生一个误差差分电压。这将会导致运放的输出产生变化来校正输入端的误差电压。误差电压越大，输出端电压变化得越快，直到输入端的差分电压足够大从而使得运放产生压摆。
如果输入足够大的信号，意味着加速器已经踩到了底，输出信号不可能变化得更快了。更大的输入并不会使输出变化得更快。图1用一个简单的运放电路解释了这个原因。闭环回路上有一个恒定的电压，使得运放输入端之间的电压为零。输入级的两个输入端之间是平衡的并且电流IS1相同地分配到三极管的两个输入端。对于该电路，当输入信号Vin是大于350mV的阶跃信号时，电流IS1只流向输入差分对管的一个三极管，该电流对米勒补偿电容C1充电或者放电。输出压摆率SR是IS1对C1充电的比例，等于IS1/C1。

当然，有各种各样的运放电路来改善压摆率。有压摆增强电路的运放用来检测这种过载条件并且获得更多额外的电流来给C1快速充电，但是在这种情况下，压摆率还是受限制的。正端和负端的压摆率可能不完全相同。在这种简单的电路中，正端和负端的压摆率是接近相等的，但是在不同的运放中，这可能会随之变化。输入级的压摆信号（本设计是350mV）可以从100mV到1V或者更多，这取决于不同的运放。
但是输出端的压摆不能响应输入信号的改变。输入端过载时，输出端不能随之发生变化。但是一旦输出电压接近其最终值，输入端的误差电压重新出现在线性区，变化率逐步减小，最终得到一个平滑的稳定值。
在运放压摆时，并没有内在的错误------对速度没有减小或提升。但是为了避免正弦信号的严重失真，信号的频率和输出信号的幅度必须有一定的限制以保证输出信号的最大斜率不会超过运放的压摆率。图2中，正弦信号的最大斜率是正比于幅度Vp和频率的。如果压摆率较小（小于所需压摆率的20%）,输出信号将会失真，类似于一个三角波。

对运放的压摆率来说，幅度较大的方波信号有非常陡的上升沿和下降沿。最终，一部分上升和下降沿被平滑为运放的小信号，如图1所示。
在同相电路中，不管增益是多少，350mV的输入阶跃信号将会使运放产生压摆。图3显示了输入信号为1V，增益分别为1，2，4时运放的压摆。在不同的增益下，压摆率是相同的。增益为1时，输出波形最终转换为350mV。在增益为2和4时，小信号的比例随之变大，因为反馈到反向输入端的误差信号被反馈网络衰减。如果增益大于50，该运放可能不会压摆因为350mV的输入阶跃信号将会使输出饱和。

压摆率的单位通常是V/us，也许是因为早期的通用运放的压摆率在1V/us左右。高速的运放有1000V/us的压摆率，但是你很少看见它被表达为1kV/us或者1V/ns。而且，低功耗的运放可能写为0.02V/us，而不写为20V/ms或者20mV/us。并没有很好的原因来解释，这只是我们衡量压摆率的一种习惯。