你有沒(méi)有學(xué)過(guò)如何確定運(yùn)算放大器的壓擺率？好吧，這是個(gè)圈套，因?yàn)榭赡芨揪蜎](méi)人教過(guò)你這個(gè)。但你應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)某個(gè)放大器“適用于輸出電壓轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10V/μs的電路”，因?yàn)樵谄鋽?shù)據(jù)手冊(cè)里注明了壓擺率為10V/μs。我們來(lái)看看為什么事實(shí)并非如此。

假如將一個(gè)增益帶寬積為B的單級(jí)運(yùn)算放大器用作噪聲增益為G的非反相放大器，實(shí)際上它應(yīng)該類似一個(gè)截止頻率為B/G的一階濾波器。此時(shí)若采用階躍信號(hào)輸入，其輸出將具有典型的RC低通響應(yīng)特性。若將輸入階躍信號(hào)放大一倍，其輸出波形中任意一點(diǎn)的值也將加倍，這意味著每個(gè)點(diǎn)的dVout/dt值都將加倍。線性系統(tǒng)是不是很棒？

當(dāng)dVout/dt不隨輸入驅(qū)動(dòng)量的增大而增大時(shí)，就需要采用壓擺率限制技術(shù)了。這種技術(shù)將壓擺率限制在某個(gè)最大值，使輸出電壓轉(zhuǎn)換速率不可能更快。正如施瓦辛格在《終結(jié)者2》中所說(shuō)的那樣，“這輛車只能開這么快了”。圖1顯示了一個(gè)仿真階躍（歸一化為單位增益）輸入，具有5.3MHz單極帶限，并通過(guò)兩個(gè)具有相似增益帶寬積（GBW）的運(yùn)算放大器（由LTspice提供）：紅色跡線表示快速擺率（LT1812，100MHz，壓擺率為750V/μs），藍(lán)色跡線表示慢速擺率（LT1801，80MHz，壓擺率僅25V/μs）。

圖1：帶限階躍信號(hào)通過(guò)一對(duì)放大器。

是不是只要輸出速度不需像數(shù)據(jù)手冊(cè)所說(shuō)的那么快，就沒(méi)問(wèn)題了呢？如果輸出只需要每微秒轉(zhuǎn)移5V電壓，那么一個(gè)可保證最小5V/μs壓擺率的放大器，再加一點(diǎn)安全裕度，就能夠很好地產(chǎn)生我們所需的輸出電壓?jiǎn)幔?/span>

實(shí)際上并非如此。如果讓運(yùn)算放大器的輸出接近數(shù)據(jù)手冊(cè)里的最大速率，輸出可能很不準(zhǔn)確。要明白這一點(diǎn)，首先需要理解為什么具有常用的轉(zhuǎn)換限制機(jī)制的運(yùn)算放大器并非理想的運(yùn)算放大器，理想運(yùn)算放大器增加了一個(gè)“if-then”條件限制，可以防止輸出轉(zhuǎn)移速度太快。

壓擺率來(lái)自哪里，《Art of Electronics》這本書里有很好的解釋，參看第三版的307~308頁(yè)，或第二版的407-408頁(yè)，但你必須仔細(xì)體會(huì)字里行間的意思。在典型的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的變化率受輸入級(jí)可以轉(zhuǎn)儲(chǔ)到補(bǔ)償電容器中電流量的限制。該輸入級(jí)通常為差分對(duì)，兩個(gè)器件共用一個(gè)尾電流源，兩個(gè)器件電流之和保持不變。輸入之間的有限電壓引導(dǎo)差分對(duì)將有限的電流導(dǎo)入或?qū)С鲅a(bǔ)償電容器。圖2顯示了一個(gè)典型的運(yùn)算放大器。

圖2：運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（來(lái)源：Barrie Gilbert的《Are Op-Amps Really Linear》）

這個(gè)引導(dǎo)過(guò)程有兩個(gè)特點(diǎn)。首先，也是最明顯的，它是有限制的——超過(guò)100％的尾電流無(wú)法導(dǎo)入電容器。你可以氣哼哼地提供額外的輸入電壓，但是結(jié)果一樣，不會(huì)有更多的電流了。其次，輸出電壓會(huì)盡可能快地轉(zhuǎn)換，它對(duì)輸入電壓的進(jìn)一步變化完全沒(méi)有響應(yīng)，因此放大器增加的增益也降至零——是的，一點(diǎn)都沒(méi)有。

這對(duì)于一個(gè)不經(jīng)心地看示波器的人（casual scope-prober）來(lái)說(shuō)可能并不明顯，因?yàn)檩敵鲭妷涸谳斎胄盘?hào)確定的方向上仍然很大。但是，如果增加一點(diǎn)額外的信號(hào)，輸出不會(huì)有任何反應(yīng)。而且，環(huán)路中沒(méi)有正向增益，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有反饋時(shí)（如同貓離開了），就會(huì)產(chǎn)生開環(huán)誤差（如同老鼠開始搗亂）。因此，不要期望“正常”的電源抑制水平（這是我最想要的），或任何內(nèi)部噪聲的抑制，也不要指望你的平均運(yùn)算放大器模型能在仿真中揭示這一點(diǎn)！

多年以前，我曾在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)出現(xiàn)過(guò)一個(gè)更微妙的結(jié)果。如果放大器的輸入級(jí)由雙極型晶體管制成，不考慮發(fā)射極退化（以實(shí)現(xiàn)低輸入噪聲），差分對(duì)輸出電流變化與輸入電壓之間遠(yuǎn)非線性關(guān)系。放大器的開環(huán)增益與輸入特性的斜率成正比。一旦輸入級(jí)失去平衡，斜率就開始下降。你可以看到，當(dāng)輸入級(jí)調(diào)制指數(shù)隨輸入驅(qū)動(dòng)增加時(shí)，差分對(duì)的增益下降，整個(gè)放大器的增益和增益帶寬都隨之下降。一些電路（包括許多有源濾波器）的性能對(duì)放大器的增益帶寬積敏感，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。在我的示例中，濾波器響應(yīng)在截止頻率附近出現(xiàn)不可接受的峰值，但這只發(fā)生在大輸入信號(hào)的情況下。

表1示出放大器（輸入器件不退化）的增益系數(shù)是如何隨著驅(qū)動(dòng)的增加而下降的。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)換速率僅為最大速率的32％時(shí)，開環(huán)增益下降10％。

表1：放大器增益系數(shù)隨驅(qū)動(dòng)的增加而下降。

因此，有時(shí)候指定一個(gè)比信號(hào)需要的轉(zhuǎn)換速率高得多的壓擺率才是正解。當(dāng)有人說(shuō)：“這個(gè)放大器的單位增益帶寬為5MHz，壓擺率為10V/us”時(shí)，你應(yīng)該回答：“對(duì)，但可能這兩者不能同時(shí)出現(xiàn)”。