运算放大器输出正弦波变成三角波?原来是压摆率的锅,那如何用压摆率做好运放选型?1000字讲清楚

原创 硬件那点事儿 2025-01-11 08:05

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Part 01

前言

运算放大器的压摆率又叫Slew Rate,它是指运算放大器输出信号在单位时间内的最大变化率,通常以V/μs(伏每微秒)为单位。具体来说,压摆率描述了运放在响应输入信号变化时,输出电压的变化速率上限。换句话说,压摆率越高,运算放大器能够在更短时间内跟随输入信号的变化,而不会出现失真或饱和。

Δ𝑉out:是输出电压的变化量。

Δt:是输出电压变化所需的时间。

压摆率的定义很简单,那我们在设计运算放大器电路时,这个参数有什么用?如何用这个参数呢?

Part 02

如何使用压摆率?

对于一个正弦信号:

其中:

A是输出信号的峰值电压。

f是信号的频率。

我们对正弦信号求导,那么输出信号的瞬时变化率为其时间导数:

输出信号的瞬时变化率什么时候最大呢?最大变化率出现在cos(2πft)=1 时:
根据压摆率定义,运放的最大变化率不能超过其压摆率(SR):
从而可得满功率带宽:
这样我们通过压摆率可以得到一个关于运放的带宽的重要参数:满功率带宽。满功率带宽指的是运放在输出满幅(最大输出电压)时能够处理的最大输入信号频率,单位为Hz。那么问题来了,我们之前的文章介绍过可以通过增益带宽积来评估运放的带宽,那满功率带宽这一概念有什么用呢?
满功率带宽描述了运放的动态响应性能,更多关注大信号条件下的输出特性,受到压摆率的直接限制。增益带宽积描述了运放的频率响应能力,适用于小信号条件下的频域分析,与运放的开环增益特性直接相关。一般来说如果信号的变化幅度小于100mV,我们才能使用增益带宽积来评估运算放大器的带宽,超过100mV的幅值范围时,我们需要使用满功率带宽来评估运算放大器的带宽
这下你应该知道了应该拿压摆率这一参数来干嘛了吧,也就是求解运算放大器的满功率带宽用的。

Part 03

满功率带宽计算实例

假设一个运放的压摆率SR=0.5V/μs,输出信号峰值电压A=5V,则其满功率带宽为:

如果需要更高的满功率带宽,可以:

1:减小输出信号幅度A。

2:选用压摆率更高的运放。

Part 04

注意事项

1.在设计高速信号处理电路(如视频放大器、通信系统)时,需保证运放的压摆率足够高,以支持目标频率和信号幅度。
2.在低速应用(如音频放大器)中,满功率带宽通常不成为主要限制,但压摆率仍需满足基本响应要求。
3.温度会影响压摆率,高温会降低运放内部晶体管的迁移率,导致电路响应速度变慢,从而降低压摆率,所以我们看规格书时注意规格书里压摆率的测试温度。
4.放大器上升、下降过程中的压摆率可能不同,看运放规格书的时候要注意这点。

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