運(yùn)放-7-運(yùn)放的壓擺率SR啥時(shí)候考慮

上一節(jié)我們說(shuō)了下運(yùn)放的增益，并在文末給出了如何評(píng)估運(yùn)放帶寬是否足夠的計(jì)算方法，但是呢，這個(gè)評(píng)估帶寬的方法，也只是做了一半的工作，還有一個(gè)壓擺率SR需要評(píng)估。

先來(lái)看一個(gè)具體的例子，壓擺率SR造成的問(wèn)題現(xiàn)象。

例子

1、使用TI的TLV9061軌至軌運(yùn)放，構(gòu)建下面的放大1倍的反相放大電路。

正常情況下，如果我輸入1V正弦波，那么輸出也是1V正弦波。

2、現(xiàn)在我們輸入1Mhz的1V的正弦波進(jìn)去運(yùn)行下：

可以看到，輸入1V，輸出1V，有一點(diǎn)相移，但是沒(méi)毛病。

3、將輸入信號(hào)調(diào)大，頻率保持1Mhz不變，幅度調(diào)到1.5V我們?cè)龠\(yùn)行一下：

可以看懂，輸入1.5V的時(shí)候，輸出嚴(yán)重失真，不僅幅度達(dá)不到1.5V，波形也酷似三角波。這是為啥嗯？1V輸入的時(shí)候沒(méi)問(wèn)題，1.5V的時(shí)候輸入有問(wèn)題，難道是運(yùn)放仿真模型不對(duì)，為非軌至軌？

4、我們將輸入頻率從1Mhz降低到500Khz，幅度保持1.5V再運(yùn)行下看看：

可以看到，幅度不變，僅僅將頻率降低一倍，輸出也OK了，說(shuō)明不是軌至軌的問(wèn)題，那是帶寬的問(wèn)題嗎？

要知道TLV9061的增益帶寬積是10Mhz，現(xiàn)在電路放大倍數(shù)為1倍，這種情況下理論可以放大10Mhz的信號(hào)，現(xiàn)在才1Mhz就不行了？另外1V/1Mhz輸入沒(méi)問(wèn)題，說(shuō)明也不是帶寬的問(wèn)題，然后又不是幅度的問(wèn)題，因?yàn)?.5V/500khz又沒(méi)問(wèn)題，說(shuō)明輸出達(dá)到1.5V是沒(méi)問(wèn)題的，那到底是哪里的問(wèn)題呢？

答案自然是前面提到的壓擺率SR的問(wèn)題了。

壓擺率SR

先看下壓擺率SR是怎么定義的

運(yùn)放的壓擺率SR 被定義為由輸入端的階躍變化所引起的輸出電壓的變化速率。它的單位是V/us。

壓擺率SR表明了運(yùn)放輸出端所能提供的最大變化速率，如果輸出端要想輸出比這個(gè)速率還快的變化，那么運(yùn)放就提供不了，這就會(huì)導(dǎo)致輸出波形變形，原本的正弦波就變成了三角波。

設(shè)計(jì)中該如何考慮？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)中，我們一般是知道我們輸入的信號(hào)是長(zhǎng)什么樣子的，也知道運(yùn)放的放大倍數(shù)，那么也就知道我們輸出信號(hào)長(zhǎng)什么樣子，我們需要保證輸出信號(hào)的最大斜率小于運(yùn)放的SR參數(shù)就可以了。

以正弦波為例，假如我們需要運(yùn)放輸出幅度Vp，頻率F的信號(hào)，那么需要運(yùn)放的SR達(dá)到多大呢？

對(duì)于正弦波而言，幅度Vp，頻率F信號(hào)可以用式子Vo(t)=Vp*sin(2πF*t)來(lái)表示。我們可以求得它的斜率表達(dá)式（其實(shí)就是高中的函數(shù)求導(dǎo)）:

dVo(t)/dt=2πF*Vp*cos(2πF*t)。

我們很容易求得這個(gè)dVo(t)/dt的最大值為：2πF*Vp，也就是說(shuō)我們需要這個(gè)值小于運(yùn)放的SR。

即：2πF*Vp<SR。

式子2πF*Vp里面有兩個(gè)變量，一個(gè)是信號(hào)幅度Vp，一個(gè)是信號(hào)頻率，在信號(hào)幅度比較小，頻率低時(shí)，2πF*Vp<SR這個(gè)條件比較容易滿(mǎn)足。與此同時(shí)，頻率一般會(huì)受到帶寬的限制，所以，輸出信號(hào)幅度小的時(shí)候，頻率滿(mǎn)足增益帶寬積要求時(shí)，壓擺率一般不會(huì)有問(wèn)題。而信號(hào)幅度大的時(shí)候，即使頻率在增益帶寬積范圍內(nèi)，也有可能因?yàn)閴簲[率不夠?qū)е滦盘?hào)失真。

關(guān)于上面這一點(diǎn)，百度百科說(shuō)得很清楚：

回到前面的問(wèn)題

前面的例子中，我們有三種輸入的情況，對(duì)應(yīng)期望的輸出信號(hào)是

a、1V/1Mhz

b、1.5V/1Mhz

c、1.5V/500Khz

我們使用公式：[dVo(t)/dt]max=2πF*Vp分別計(jì)算下這三個(gè)信號(hào)的最大斜率為：

a、1V/1Mhz時(shí)最大斜率：2*3.14*1000000Hz*1V=6280000V/s=6.28V/us

b、1.5V/1Mhz時(shí)最大斜率：2*3.14*1000000Hz*1.5V=9.42V/us

c、1.5V/500Khz時(shí)最大斜率：2*3.14*500000Hz*1.5V=4.71V/us

我們?cè)購(gòu)倪\(yùn)放TLV9061手冊(cè)中得到其壓擺率SR=6.5V/us

可以看到，a和c兩種情況都是滿(mǎn)足最大斜率[dVo(t)/dt]max<SR的，所以其波形沒(méi)有失真。而b這種情況，其最大斜率為9.42V/us，而運(yùn)放最大只能輸出SR=6.5V/us，運(yùn)放的能力輸出不了9.42V/us這么快，所以輸出就失真了。

以上就是為什么我們輸入1.5V/1Mhz正弦波，輸出波形嚴(yán)重失真的原因。

小結(jié)

本期就寫(xiě)到這里了，主要講了啥是壓擺率SR，并且設(shè)計(jì)過(guò)程中可以用公式：2πF*Vp<SR 來(lái)評(píng)估運(yùn)放的SR是否滿(mǎn)足要求。

不過(guò)需要注意，這里的信號(hào)指的是正弦波，如果非正弦波信號(hào)輸入，可以直接評(píng)估其上升沿dV/dt<SR是否成立，如果不成立，則信號(hào)的邊沿會(huì)被運(yùn)放強(qiáng)行變緩為SR（可以從SR定義里面看出，輸入階躍信號(hào)，輸出信號(hào)的邊沿以SR的斜率化）。

仿真源文件下載

在我的微信公眾號(hào)“硬件工程師煉成之路”后臺(tái)回復(fù)“煉成之路”，就可以下載了，放置在了：器件—>運(yùn)放—>仿真文件文件夾里面了（注意：需要把spice文件tlv9062.lib放置到自己電腦的庫(kù)路徑下面）。

關(guān)于壓擺率SR的內(nèi)容，TI也有對(duì)應(yīng)的視頻教程，可以去看看，鏈接如下：

https://edu.21ic.com/lesson/1911

以上內(nèi)容純屬個(gè)人觀點(diǎn)，如有問(wèn)題，歡迎留言交流