詳解運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率和壓擺率

【模擬電路設(shè)計(jì)】Understanding Operational Amplifier Slew Rate（壓擺率）

轉(zhuǎn)換速率是大多數(shù)電子電路的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)換速率決定電路適應(yīng)快速輸出上升并減少失真。

今天我們主要從以下幾個(gè)方面來(lái)介紹壓擺率：

①什么是轉(zhuǎn)換速率

②影響壓擺率的因素

③Slew rate vs Bandwidth（帶寬）

④Slew Rate vs Frequency Response（頻率響應(yīng)）

01什么是轉(zhuǎn)換速率？

轉(zhuǎn)換速率是運(yùn)算放大器輸出電路可以產(chǎn)生的最大電壓變化速率。它以相對(duì)于時(shí)間的電壓來(lái)測(cè)量，數(shù)據(jù)表中使用的典型單位是 V/μs。因此它表示其輸出電壓 (Vo) 變化的速度。

處理交流信號(hào)或用作比較器時(shí)需要注意該參數(shù)。轉(zhuǎn)換速率越大，相應(yīng)的運(yùn)算放大器帶寬就越高。

轉(zhuǎn)換速率有助于防止運(yùn)算放大器的輸出失真過(guò)多。

因此，轉(zhuǎn)換速率必須很高才能確保最高的不失真輸出電壓擺幅。

02是什么導(dǎo)致轉(zhuǎn)換率？

一般來(lái)說(shuō)，壓擺率主要取決于運(yùn)算放大器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的兩個(gè)特性。

①運(yùn)算放大器的輸出不能立即響應(yīng)輸入的變化。因此，從輸入變化到輸出變化存在不可避免的延遲。

②當(dāng)運(yùn)算放大器以負(fù)反饋配置連接時(shí)，在某些情況下，這種延遲會(huì)導(dǎo)致施加到反相輸入端子的電壓與施加到非反相輸入端子的電壓之間存在較大差異。這個(gè)大的差分電壓改變了差分對(duì)輸入級(jí)的行為，使得輸出電壓線性增加（或減少），即VOUT(t) = SR×t。轉(zhuǎn)換速率 (SR) 很大程度上受補(bǔ)償電容的影響。

壓擺率公式為 SR=ΔVout/Δt。轉(zhuǎn)換速率單位為 V/μs 或伏每秒。見(jiàn)圖 1。

圖1 SR計(jì)算

SR 是輸出電壓幅度相對(duì)于時(shí)間從 10% 到 90% 的最大變化。 SR屬于大信號(hào)現(xiàn)象范疇，運(yùn)放本征級(jí)的限流和飽和在更大程度上是導(dǎo)致SR的原因。

決定壓擺率的因素有：頻率補(bǔ)償、高增益輸入級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)器限制。

03轉(zhuǎn)換速率與帶寬

兩個(gè)重要的概念與運(yùn)算放大器速度相關(guān)，例如轉(zhuǎn)換速率和帶寬。兩者共同決定階躍響應(yīng)穩(wěn)定的總時(shí)間。

壓擺率可以限制通過(guò)運(yùn)算放大器的任何信號(hào)變化。回轉(zhuǎn)是一種非線性效應(yīng)。如果正弦輸入信號(hào)乘以運(yùn)算放大器的增益導(dǎo)致斜率高于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率，則輸出波形的一部分將是直線而不是正弦曲線的彎曲部分。因此，轉(zhuǎn)換可以修改信號(hào)的形狀，因此是失真源，而不僅僅是幅度或相位的修改。因此，轉(zhuǎn)換會(huì)改變或扭曲信號(hào)形狀。

帶寬是它可以對(duì)信號(hào)內(nèi)的微小變化做出反應(yīng)的最高速率。在直流偏置下，可以使用靜態(tài)功率來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器，使其接受小信號(hào)或幅度很小的信號(hào)。當(dāng)這些信號(hào)通過(guò)傅立葉變換分解時(shí)，就會(huì)添加極其不同的頻率，范圍從小頻率到極大頻率。當(dāng)帶寬較高時(shí)，運(yùn)算放大器能夠增加較高頻率的信號(hào)，因此它們具有較高的速度。信號(hào)增益為1/√2(0.707)時(shí)的頻率，就是運(yùn)算放大器的完美帶寬值。因此，這是運(yùn)算放大器可以按照預(yù)期行為發(fā)揮作用的最高頻率。

04轉(zhuǎn)換速率與頻率響應(yīng)

當(dāng)我們處理正弦信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器會(huì)在高頻下失去增益，而當(dāng)我們處理瞬態(tài)事件時(shí)，相同的基本機(jī)制會(huì)限制輸出信號(hào)的最大變化率。但是，重要的是要認(rèn)識(shí)到頻率響應(yīng)和轉(zhuǎn)換速率是不同的現(xiàn)象，這兩種現(xiàn)象的影響根本不同。

壓擺率是放大器對(duì)輸出變化做出反應(yīng)的速率。在不同頻率、等幅值的不同波形中，我們可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)正弦波的幅值是相同的；單位時(shí)間內(nèi)電壓變化最大的是頻率最大的信號(hào)。

因此，當(dāng)頻率增加時(shí)，轉(zhuǎn)換速率逐漸產(chǎn)生影響，直到轉(zhuǎn)換速率不能隨波形頻率持續(xù)而達(dá)到閾值。

因此，在此之后，高頻響應(yīng)可能會(huì)受到轉(zhuǎn)換速率的影響，導(dǎo)致固定點(diǎn)上的信號(hào)嚴(yán)重失真和退化。

5總結(jié)

壓擺率對(duì)于大信號(hào)處理是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)于要求較高的運(yùn)放一般SR＞10V/μs。通過(guò)圖1我們可以認(rèn)為其實(shí)壓擺率就是一個(gè)爬升過(guò)程，壓擺率越大爬升越快，越小爬升越慢，意味著在信號(hào)到來(lái)時(shí)，不能準(zhǔn)確的跟上，當(dāng)跟上時(shí)，信號(hào)已經(jīng)消失流走了，使得只能跟上一半或者更低，這樣就容易失真?；蛘哒f(shuō)壓擺率就是個(gè)斜率，斜率越陡壓擺率越大。我們來(lái)看圖2所示，輸入一個(gè)方波信號(hào)，輸出理論應(yīng)該像右邊上面方波一樣的圖形，但實(shí)際會(huì)像下面梯形這個(gè)圖像，就是因?yàn)閷?shí)際使用中該爬升過(guò)程受壓擺率影響，因此可以看見(jiàn)這個(gè)爬升過(guò)程需要時(shí)間，壓擺率越大，爬升的時(shí)間就越小，就說(shuō)明很快就能登頂，那么這個(gè)斜率就越大，越接近理想中想要的波形。

圖2 壓擺率對(duì)輸出的影響示意圖

因此，壓擺率太小響應(yīng)速度會(huì)慢，導(dǎo)致輸出跟不上輸入的變化節(jié)奏，就會(huì)出現(xiàn)失真情況，所以選擇運(yùn)放時(shí)，一定要關(guān)注SR的參數(shù)。