類比設計
轉換率(slew rate)
轉換率是放大器輸出電壓變化的最快速度,通常以每微秒多少伏(V/µs)來標注。想像一只水桶,由一根開度固定的水管往裡灌水:無論你多急切地想讓水位往上跳,它最多也只能按這一檔固定的流量上升。在放大器內部,這只水桶就是一個電容(往往是補償電容,或者掛在輸出端的任何負載),而那根水管就是固定的偏壓電流。當輸入突然要求一個大幅度的擺動時,放大器會把它手頭所有的電流全都灌進那個電容——而它就只有這麼多。於是輸出以恆定的速度沿一條直線爬升,這個最大速度就是轉換率:SR = I / C。
下面這點最容易把人絆住:轉換率是一個大信號限制,它和你的小信號頻寬是兩碼事。頻寬(以及增益頻寬積 GBW)描述的是放大器對微小擺動的行為,那時一切都保持線性,gm 和極點那套數學才成立。可一旦你要求一個又大又快的階躍,輸入差分對就會飽和——一側把整個尾電流全佔了——於是輸出再也跟不上理想的指數曲線,只能沿那條斜率固定的斜坡慢慢往上爬。一顆元件在紙面上頻寬可能綽綽有餘,遇到大信號卻照樣轉換率受限,把一條乾淨的正弦波削成一個歪斜的三角波,平添失真。
正因為 SR = I / C,你要換取更高的轉換率,要麼多花電流,要麼縮小你必須充電的那個電容——而這兩樣都得在別處付出代價(功耗,或是穩定裕度)。所以一顆 op-amp 出現轉換率受限的現象,往往是個信號:你在要求同一個模塊既低功耗、又能在滿幅擺動下跑得快,而這兩者你不可能白白兼得。
SR = I / C (e.g. 100 µA into 10 pF → 10 V/µs)
固定的偏壓電流給固定的電容充電,決定了輸出所能達到的最陡的直線斜坡。
一個快速的核算:一條幅度為 A、頻率為 f 的滿幅正弦波,要想不失真地輸出,至少需要 2·π·f·A 的轉換率,所以請按你會要求的最壞情況——又快又大的輸出——來給偏壓電流定大小,而不是只看資料手冊上的小信號頻寬。
又稱
另見