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運算放大器 OP-Amp (三)

擺率(Slew rate)

擺率(Slew Rate,或稱迴轉率)測量運算放大器的輸出變化的速度。 該值定義為每單位時間的電壓變化,通常以V /μS為單位。

在線路設計上,如使用了擺率不足的Op-Amp,將會導致輸出波形失真,如下圖所示。 為了避免這種失真,工作頻率必須滿足以下不等式:

圖片來源: Yves-Laurent Allaert / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 / GFDL

紅色方波是預期的輸出,綠色波是實際的失真輸出。

舉例,峰值輸出擺幅為1V且產生1Mhz正弦波的運算放大器必須具有6.28 V / us的最小擺率。

擺率與帶寬的分別

乍看,轉換速率似乎只是運放帶寬限制的時域表現。 有人可能會認為,當我們使用正弦信號時,運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

運算放大器傳遞函數中的「極(Pole)」表演出典型的低通濾波器行為;信號幅度隨頻率增加而減小,並發生相移。 但是這些效應是線性的,因此它們不會在輸出信號中引入失真。

但是,擺率是非線性效應。 如果正弦輸入信號乘以運算放大器的增益後得出的斜率高於運算放大器的壓擺率,則輸出波形的一部分將是一條直線,而不是正弦曲線的彎曲部分。 因此,擺率可以改變信號的形狀,因此是失真的來源,而不僅僅是幅度或相位的改變。

實際擺率注意事項

工程師目前可以選擇的運算放大器種類繁多,涵蓋了很大的壓擺率範圍。 一些設備每微秒提供幾伏特甚至更低,而其他設備每微秒提供幾百伏特。 如果您要設計一個涉及瞬態信號,高振幅正弦波或數字波形的電路,請在選擇運算放大器之前快速考慮壓擺率。

如下表所示,電流消耗與壓擺率之間存在很強的關係。 如果您試圖將良好的迴轉性能納入低功耗設計中,則必須謹慎選擇組件。

圖二 對應不同擺率OP-Amp的瞬態電流的比較表

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