3 了解压摆率

图 3-1 显示了运算放大器的简化框图。第一级为跨导 (g_m) 级，它将输入差分电压 (V_id) 转换为电流 I_M，称为米勒电流。该电流流入跨阻级的米勒电容 (C_M)，在此处，电流 I_M 被转换为输出节点 V_out 上的电压。

图 3-2 展示了运算放大器跨导级的传递函数。微小信号响应以绿色表示，大信号阶跃响应（压摆率限制）以蓝色表示。

微小信号运行 – 当 V_id 较小（例如 V_id < 100mV，请参阅 图 3-2）时，可定义为微小信号工作状态，此时跨导级表现为线性工作。方程式 2 描述了米勒电流与输入差分电压之间的微小信号关系。

在微小信号运行期间，电流 I_M 与 V_id 成正比。在闭环配置中，输出电压通过外部反馈网络反馈到输入端。反馈会使反相输入端与同相输入端之间的电压差 (V_id) 趋近于零。尽管反相端和同相端在电气上并未直接连接，但由于运算放大器具有很高的开环增益 (A_OL)，两者之间的电压差会被压缩到极小，这种现象通常称为“虚拟”。例如，在输入端施加一个 1mV 的阶跃，会产生一个短暂流入 C_M 的电流脉冲，从而使输出电压上升。随着米勒电容充电，反馈会推动输入差分电压趋向“虚拟短路”状态；当瞬态过程稳定后，V_id 基本接近于零。

大信号（压摆率受限）运行 – 如果输入差分电压超过线性范围（例如 V_id > 100mV，请参阅 图 3-2），跨导级会产生峰值电流 I_{M_Max}，用于为米勒电容器 C_M 充电，如图 3-3 所示。此恒定电流持续对 C_M 充电，从而在输出节点 V_out 产生线性斜坡：

输出电压斜坡的斜率定义了压摆率，即运算放大器输出电压变化的最大速率。施加较大的阶跃时，输出最初会受压摆率限制，同时反馈会逐步降低输入差分电压。一旦输入差分电压回落至微小信号工作区域，I_M 将以指数形式衰减至零，输出转变也会从线性斜坡转换为指数稳定曲线。最终，差分输入达到“虚拟短路”条件。图 3-3 提供了波形的放大视图，突出展示了器件进入微小信号运行模式的时刻，并说明了输入差分电压如何以指数方式衰减至 0V。