运放-7-压摆率SR造成的问题现象

上一节我们说了下运放的增益，并在文末给出了如何评估运放带宽是否足够的计算方法，但是呢，这个评估带宽的方法，也只是做了一半的工作，还有一个压摆率SR需要评估。

先来看一个具体的例子，压摆率SR造成的问题现象。

例子

1、使用TI的TLV9061轨至轨运放，构建下面的放大1倍的反相放大电路。

正常情况下，如果我输入1V正弦波，那么输出也是1V正弦波。

2、现在我们输入1Mhz的1V的正弦波进去运行下：

可以看到，输入1V，输出1V，有一点相移，但是没毛病。

3、将输入信号调大，频率保持1Mhz不变，幅度调到1.5V我们再运行一下：

可以看懂，输入1.5V的时候，输出严重失真，不仅幅度达不到1.5V，波形也酷似三角波。这是为啥嗯？1V输入的时候没问题，1.5V的时候输入有问题，难道是运放仿真模型不对，为非轨至轨？

4、我们将输入频率从1Mhz降低到500Khz，幅度保持1.5V再运行下看看：

可以看到，幅度不变，仅仅将频率降低一倍，输出也OK了，说明不是轨至轨的问题，那是带宽的问题吗？

要知道TLV9061的增益带宽积是10Mhz，现在电路放大倍数为1倍，这种情况下理论可以放大10Mhz的信号，现在才1Mhz就不行了？另外1V/1Mhz输入没问题，说明也不是带宽的问题，然后又不是幅度的问题，因为1.5V/500khz又没问题，说明输出达到1.5V是没问题的，那到底是哪里的问题呢？

答案自然是前面提到的压摆率SR的问题了。

压摆率SR

先看下压摆率SR是怎么定义的

运放的压摆率SR 被定义为由输入端的阶跃变化所引起的输出电压的变化速率。它的单位是V/us。

压摆率SR表明了运放输出端所能提供的最大变化速率，如果输出端要想输出比这个速率还快的变化，那么运放就提供不了，这就会导致输出波形变形，原本的正弦波就变成了三角波。

设计中该如何考虑？

简单来说，在设计中，我们一般是知道我们输入的信号是长什么样子的，也知道运放的放大倍数，那么也就知道我们输出信号长什么样子，我们需要保证输出信号的最大斜率小于运放的SR参数就可以了。

以正弦波为例，假如我们需要运放输出幅度Vp，频率F的信号，那么需要运放的SR达到多大呢？

对于正弦波而言，幅度Vp，频率F信号可以用式子Vo(t)=Vp*sin(2πF*t)来表示。我们可以求得它的斜率表达式（其实就是高中的函数求导）:

dVo(t)/dt=2πF*Vp*cos(2πF*t)。

我们很容易求得这个dVo(t)/dt的最大值为：2πF*Vp，也就是说我们需要这个值小于运放的SR。

即：2πF*Vp

式子2πF*Vp里面有两个变量，一个是信号幅度Vp，一个是信号频率，在信号幅度比较小，频率低时，2πF*Vp

关于上面这一点，百度百科说得很清楚：

回到前面的问题

前面的例子中，我们有三种输入的情况，对应期望的输出信号是

a、1V/1Mhz

b、1.5V/1Mhz

c、1.5V/500Khz

我们使用公式：[dVo(t)/dt]max=2πF*Vp分别计算下这三个信号的最大斜率为：

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

b、1.5V/1Mhz时最大斜率：2*3.14*1000000Hz*1.5V=9.42V/us

c、1.5V/500Khz时最大斜率：2*3.14*500000Hz*1.5V=4.71V/us

我们再从运放TLV9061手册中得到其压摆率SR=6.5V/us

可以看到，a和c两种情况都是满足最大斜率[dVo(t)/dt]max

以上就是为什么我们输入1.5V/1Mhz正弦波，输出波形严重失真的原因。

小结

本期就写到这里了，主要讲了啥是压摆率SR，并且设计过程中可以用公式：2πF*Vp

不过需要注意，这里的信号指的是正弦波，如果非正弦波信号输入，可以直接评估其上升沿dV/dt

编辑：黄飞