文章来源 Cytech Engineer

浅析运算放大器的压摆率

analysis-slew-rate-operational-amplifier

对电子工程师而言,运算放大器是模拟电路中不可或缺的器件,可以用它来进行信号增益调整,滤波器设计,作为ADC驱动器等。运算放大器有各种不同的参数,本文主要讨论运算放大器的压摆率参数,以ADI产品中常用的ADA4622-1为例对该参数以及对放大器性能的影响进行说明。

一、压摆率的定义

压摆率 (Slew Rate),是运算放大器的一个重要参数。它反映了放大器输入一个阶跃信号时,输出端电压的最大变化速率,通常以V /μs表示。以ADA4622-1为例,下面图1中可以看出数据手册里对压摆率的说明。

图 1 5V供电时ADA4622-1的压摆率参数
图 1 5V供电时ADA4622-1的压摆率参数

我们也可以测量运算放大器输出端的波形来计算压摆率。以图2波形为例,tr为输出信号上升时间,tf为输出信号下降时间,通过计算ΔV/trΔV/tf,就可以分别得到放大器输出信号上升以及下降时的压摆率。

图 2 压摆率计算示意图
图 2 压摆率计算示意图

二、压摆率与全功率带宽的关系

对于一个输出为正弦波的信号,输出电压可表示为:

 

Vout = Vp * sin(2*π *f*t),其中Vp为信号幅值,f为信号频率。

 

这个输出电压对时间求导可得:

dv/dt=2πfVpcos(2πft)

 

(dv/dt)max=2πfVp 

 

上式的max是指在求导后的余弦信号在t=0时得到最大值,也就是说原正弦信号在t=0时压摆率最大。 可以看出dV/dt表示的压摆率,跟信号的频率有关,还与信号的输出幅值有关。上式中,如果Vp 是运放的输出峰值电压。则放大器压摆率可表示为:

Slew Rate=(dv/dt)max=2*π*FPBW*Vp             (1)

 

此时FPBW就是运放的全功率带宽,也就是在放大器输入为大信号,输出为最大变化率时,不会引起输出信号失真的最高信号频率。

根据推导,在电路设计中,已知信号输出峰值以及信号最高频率,可用以下公式计算出运算放大器所需的压摆率的最小值。

S ≥ 2π fVp

 

f = 最高信号频率 (Hz)

 

Vp = 信号的最大峰值电压 (V)

 

举例,输出2Vp , 25kHz最高频率的信号, 根据以上公式运算, 至少需要压摆率0.314V/μs的运算放大器。

反过来,已知放大器的压摆率以及输出信号峰值,也可计算出不引起输出信号失真的最大输入信号频率:

f≤ Slew rate/2πVp                                            (2)

三、压摆率对放大电路性能的影响

以ADA4622-1为例,当±15V供电时,压摆率为23V/us,当输出信号幅值为2V时,根据第2节中的推导的公式(2)可以算出理论满功率带宽为1.8MHz左右;

 

首先设置输入信号为幅值2V的大信号,频率为1.8MHz,用下面电路图3进行仿真

图 3 ADA4622-1压摆率仿真图
图 3 ADA4622-1压摆率仿真图

测量Vout输出波形如下图4所示,可以看出输出信号底部已经出现失真;

图 4 频率为1.8MHz时的信号输出波形
图 4 频率为1.8MHz时的信号输出波形

进一步增大输入信号频率至2MHz,输出波形如下图5,可以看出输出信号顶部以及底部均开始失真;

图 5 频率为2MHz时的信号输出波形
图 5 频率为2MHz时的信号输出波形

减小输入信号频率至1.7MHz,可以看出底部失真逐步减小,这与计算过程基本相符;

图 6 频率为1.7MHz时的输出信号波形
图 6 频率为1.7MHz时的输出信号波形

由此仿真可以看出,放大器的输入信号为大信号时,由于压摆率的限制,当信号频率接近或者超过满功率带宽(大信号带宽)时,会引起输出信号的失真。

 

以上论述的是输入信号为大信号的情况,那么当输入信号为小信号时,会不会有压摆率限制问题呢?以ADA4622-1手册中测试曲线进行说明,当输入信号为100mVpp时,输出信号大概在0.05uS上升或者下降完成,由此计算出压摆率为100mV/0.05uS=2V/us,远小于手册中典型值,因此压摆率不受限。

图 7 ADA4622-1小信号瞬态响应图
图 7 ADA4622-1小信号瞬态响应图

除了考虑输入信号为大信号时由于压摆率受限而引起输出失真问题,我们还可以关注下对放大器其它性能的影响:

  • 一般较高的压摆率将有更高的工作电流,这会导致更高的功耗,也有压摆率高功耗低的情况。
  • 较高的压摆率会产生电磁干扰(EMI)。

四、总结

综上所述,我们可以得知如何查找以及计算运算放大器的压摆率。可以发现运算放大器的压摆率可为正值或者负值,并且两者数值不一定相等。特别是当放大器的输入信号为大信号时,由于压摆率的限制,会引起输出信号失真问题。因此,在实际工程设计时,我们要根据应用情况进行计算或者仿真并且留有一定的设计余量,选择合适压摆率的放大器,同时考虑综合功耗,电磁兼容设计等因素,使电路的性能达到最佳。

更多信息: