請問運算放大器Slew Rate指標在系統(tǒng)應用中有何意義呢？

在電子電路領(lǐng)域，特別是在模擬電路和數(shù)字電路的設計與分析中，Slew Rate（壓擺率，簡稱 SR）是一個關(guān)鍵的參數(shù)。它不僅衡量了電路輸出信號跟隨輸入信號變化的快速程度，也是評價電路性能的一個重要指標。

本文將對 SR 的定義及其在系統(tǒng)應用中的意義和測試方法進行詳細解析。同時，還將探討影響 SR 的因素，以及如何在實際應用中合理選擇電路元件，確保電路性能達到預期水平。

SR 定義，單位，表達式

壓擺率（Slew Rate，簡稱 SR）是電子電路中的關(guān)鍵參數(shù)，它描述了信號變化的速度和精度。SR 衡量的是在給定時間內(nèi)，輸出信號能夠跟隨輸入信號變化的最大速率。

在單位方面，壓擺率通常用伏特每微秒 (V/μs)、伏特每毫秒 (V/ms) 或伏特每秒 (V/s) 來表示。

（1）

SR 的意義及測試方法

在模擬電路中，壓擺率是評估電路性能和穩(wěn)定性的重要指標。由于運放處理的信號往往具有較大的幅值，因此關(guān)注運放的壓擺率至關(guān)重要。壓擺率可以理解為運放輸入階躍信號時，輸出信號的最大變化速度。

如圖 1 所示，計算壓擺率時，通常測量輸出信號從 10% 到 90% 的電壓變化量并除以這一時間段。

（1）

圖 1. 輸出信號從 10% 到 90%

的電壓變化示意圖

壓擺率對電路性能有直接影響，因為它決定了電路輸出信號跟隨輸入信號的能力。在電路設計中，必須確保輸出信號的變化速率不超過運放的壓擺率，以避免信號失真。例如，對于一個正弦波信號，其過零點的變化速率必須小于運放的壓擺率，否則輸出信號會發(fā)生失真，原先正弦波信號就變成了三角波信號。對于大輸出信號而言，如果 SR 過小，會導致高頻輸出幅值受到限制。

對一個正弦波來說，其最大變化速率發(fā)生在過零點處，且與信號幅度、頻率有關(guān)。

如圖 2 所示，該正弦信號是運放的輸入信號，假設該正弦信號的幅度為 Vp，頻率為 f，該正弦信號的表達式為：Vin(t) = Vp x sinωt = Vp x sin(2πf x t)，過零點變化速率為 dv/dt。

圖 2.輸入信號示意圖

對于單位增益跟隨器而言，輸出信號應為：

（2）

其斜率為(對其求導)：

（3）

所以其斜率最大值(過零點斜率)：

（4）

當我們要想輸出不失真的正弦波時，則運放的壓擺率必須大于正弦波過零點變化速率。即：SR>2πf x Vp。

必易微 KS11062

以必易微 KS11062 芯片為例，該芯片是一款低壓、低功耗的 11MHz 帶寬軌到軌運放。按照圖 3 所示的電路測試其壓擺率時，使用信號發(fā)生器輸入一個幅度為 ±2V、頻率為 10kHz 的方波信號，并通過示波器測量輸出波形。

圖 3. SR 測試電路示意圖

圖 4. 運放的輸入/輸出信號的測試波形

測試結(jié)果如圖 4 所示，在 248ns 內(nèi)，電壓變化量為 3.228V，計算得到 SR 為 13.02V/μs，與表 1 中的 13V/μs 相符。

表 1.SR 參數(shù)指標

下面我們再進行一系列測試來展示不同頻率信號下 KS11062 輸出波形的變化：

情況 1

信號所需 dv/dt 遠大于運放 SR

輸入信號波形為 2MHz，根據(jù)計算運放所需 dv/dt=2π x f x Vp=8πV/μs=25.12V/μs。測試波形如圖 5 所示，運放輸出已經(jīng)嚴重失真了，而且輸出高電平達不到 VOH。

圖 5. 當 dv/dt 大于

運放 SR 的測試波形

情況 2

信號所需 dv/dt 約等于運放 SR

輸入信號波形為 1MHz，dv/dt=2π x f x Vp=4πV/μs=12.56V/μs，dv/dt 接近 SR。波形如圖 6 所示，運放可以正常輸出高電平和低電平，但由于輸入信號頻率較大，而運放壓擺率有限，輸出有些失真。

圖 6. 當 dv/dt 接近運放 SR 的測試波形

情況 3

信號所需 dv/dt 小于運放 SR

輸入信號波形為 100kHz 時，dv/dt=2π x f x Vp=0.4πV/μs=1.256V/μs，波形如圖 7 所示，運放的輸出沒有失真。

圖 7.當 dv/dt 小于運放 SR 的測試波形

所以我們實際使用中，需要根據(jù)具體的應用場景和要求來確定合適的壓擺率，選擇合適的芯片。

SR 的影響因素

圖 8.運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

如圖 8 所示，壓擺率受運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，特別是第二級的密勒 Cc 電容。這個電容不僅影響運放的帶寬，也是決定壓擺率的關(guān)鍵因素。電容的大小和充電電流的大小都會影響充電速度，進而影響壓擺率。因此，超低功耗的運放通常壓擺率較低。

由上文可知，當我們要想輸出完美的正弦波，則運放的壓擺率必須大于正弦波過零點變化速率。即：SR>dv/dt=2π x f x Vp，所以 FPBW=f

SR 與帶寬 (FPBW) 的關(guān)系是：SR 越高，帶寬越高，但靜態(tài)電流也越大。在選擇運放時，需要根據(jù)電路的應用場景和要求來確定合適的壓擺率。高速、高精度的模擬電路通常需要更高的壓擺率，但同時也要考慮成本和功耗。

如表 2 所示，是必易微推出的多款放大器參數(shù)指標：

表 2. 必易微放大器選型表

總結(jié)

壓擺率是電路設計中的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響到信號的準確性和電路的穩(wěn)定性。在設計和選擇模擬電路時，應根據(jù)具體應用需求來確定合適的壓擺率，平衡性能和成本。過低的壓擺率會導致信號失真，而過高的壓擺率可能會增加功耗和成本。

必易微 KS11062 除了優(yōu)越的 SR 性能外，還具有 Vos 低，溫漂小，高 CMRR 和 PSRR 等優(yōu)異的性能指標，可以滿足白電，掃地機，光伏，工業(yè)自動化，電池化成等應用的需求。同時必易微可為客戶提供多種規(guī)格產(chǎn)品解決方案以滿足不同應用需求。

審核編輯：劉清