浅谈运算放大器 Slew Rate 指标在系统应用中的意义

时间:2024-04-02 09:00来源:

摘要:KS11062拥有优异的SR性能,可以满足白电,扫地机,光伏,工业自动化,电池化成等应用的需求

在电子电路领域,特别是在模拟电路和数字电路的设计与分析中,Slew Rate(压摆率,简称 SR)是一个关键的参数。它不仅衡量了电路输出信号跟随输入信号变化的快速程度,也是评价电路性能的一个重要指标。
 
本文将对 SR 的定义及其在系统应用中的意义和测试方法进行详细解析。同时,还将探讨影响 SR 的因素,以及如何在实际应用中合理选择电路元件,确保电路性能达到预期水平。
 
SR 定义,单位,表达式
 
压摆率(Slew Rate,简称 SR)是电子电路中的关键参数,它描述了信号变化的速度和精度。SR 衡量的是在给定时间内,输出信号能够跟随输入信号变化的最大速率。
 
在单位方面,压摆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) 来表示。
    (1)
 
SR 的意义及测试方法
 
在模拟电路中,压摆率是评估电路性能和稳定性的重要指标。由于运放处理的信号往往具有较大的幅值,因此关注运放的压摆率至关重要。压摆率可以理解为运放输入阶跃信号时,输出信号的最大变化速度。
 
如图 1 所示,计算压摆率时,通常测量输出信号从 10% 到 90% 的电压变化量并除以这一时间段。


   (1)
 
图 1. 输出信号从 10% 到 90%
的电压变化示意图
 
压摆率对电路性能有直接影响,因为它决定了电路输出信号跟随输入信号的能力。在电路设计中,必须确保输出信号的变化速率不超过运放的压摆率,以避免信号失真。例如,对于一个正弦波信号,其过零点的变化速率必须小于运放的压摆率,否则输出信号会发生失真,原先正弦波信号就变成了三角波信号。对于大输出信号而言,如果 SR 过小,会导致高频输出幅值受到限制。
 
对一个正弦波来说,其最大变化速率发生在过零点处,且与信号幅度、频率有关。
如图 2 所示,该正弦信号是运放的输入信号,假设该正弦信号的幅度为 Vp,频率为 f,该正弦信号的表达式为:Vin(t) = Vp x sinωt = Vp x sin(2πf x t),过零点变化速率为 dv/dt。

图 2. 输入信号示意图
对于单位增益跟随器而言,输出信号应为:
  (2)
其斜率为(对其求导):
(3)
所以其斜率最大值(过零点斜率):
(4)
当我们要想输出不失真的正弦波时,则运放的压摆率必须大于正弦波过零点变化速率。即:SR>2πf x Vp。
 
 
必易微 KS11062
以必易微 KS11062 芯片为例,该芯片是一款低压、低功耗的 11MHz 带宽轨到轨运放。按照图 3 所示的电路测试其压摆率时,使用信号发生器输入一个幅度为 ±2V、频率为 10kHz 的方波信号,并通过示波器测量输出波形。

图 3. SR 测试电路示意图

图 4. 运放的输入/输出信号的测试波形
 
测试结果如图 4 所示,在 248ns 内,电压变化量为 3.228V,计算得到 SR 为 13.02V/μs,与表 1 中的 13V/μs 相符。

表 1. SR 参数指标
 
下面我们再进行一系列测试来展示不同频率信号下 KS11062 输出波形的变化:
 
 
情况 1信号所需 dv/dt 远大于运放 SR
输入信号波形为 2MHz,根据计算运放所需 dv/dt=2π x f x Vp=8πV/μs=25.12V/μs。测试波形如图 5 所示,运放输出已经严重失真了,而且输出高电平达不到 VOH。

图 5. 当 dv/dt 大于运放 SR 的测试波形
 
 
情况 2信号所需 dv/dt 约等于运放 SR
输入信号波形为 1MHz,dv/dt=2π x f x Vp=4πV/μs=12.56V/μs,dv/dt 接近 SR。波形如图 6 所示,运放可以正常输出高电平和低电平,但由于输入信号频率较大,而运放压摆率有限,输出有些失真。
 
图 6. 当 dv/dt 接近运放 SR 的测试波形
 
情况 3信号所需 dv/dt 小于运放 SR
输入信号波形为 100kHz 时,dv/dt=2π x f x Vp=0.4πV/μs=1.256V/μs,波形如图 7 所示,运放的输出没有失真。
 
图 7. 当 dv/dt 小于运放 SR 的测试波形
 
所以我们实际使用中,需要根据具体的应用场景和要求来确定合适的压摆率,选择合适的芯片。
 
 
SR 的影响因素

图 8. 运放的内部结构示意图
 
如图 8 所示,压摆率受运放内部结构的影响,特别是第二级的密勒 Cc 电容。这个电容不仅影响运放的带宽,也是决定压摆率的关键因素。电容的大小和充电电流的大小都会影响充电速度,进而影响压摆率。因此,超低功耗的运放通常压摆率较低。
 
由上文可知,当我们要想输出完美的正弦波,则运放的压摆率必须大于正弦波过零点变化速率。即:SR>dv/dt=2π x f x Vp,所以  FPBW=f  
SR 与带宽 (FPBW) 的关系是:SR 越高,带宽越高,但静态电流也越大。在选择运放时,需要根据电路的应用场景和要求来确定合适的压摆率。高速、高精度的模拟电路通常需要更高的压摆率,但同时也要考虑成本和功耗。
 
如表 2 所示,是必易微推出的多款放大器参数指标:
 

表 2. 必易微放大器选型表
 
 
总结
压摆率是电路设计中的关键参数,它直接影响到信号的准确性和电路的稳定性。在设计和选择模拟电路时,应根据具体应用需求来确定合适的压摆率,平衡性能和成本。过低的压摆率会导致信号失真,而过高的压摆率可能会增加功耗和成本。
 
必易微 KS11062 除了优越的 SR 性能外,还具有 Vos 低,温漂小,高 CMRR 和 PSRR 等优异的性能指标,可以满足白电,扫地机,光伏,工业自动化,电池化成等应用的需求。同时必易微可为客户提供多种规格产品解决方案以满足不同应用需求。
 
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