详解运算放大器转换速率和压摆率

【模拟电路设计】Understanding Operational Amplifier Slew Rate（压摆率）

转换速率是大多数电子电路的关键。转换速率决定电路适应快速输出上升并减少失真。

今天我们主要从以下几个方面来介绍压摆率：

①什么是转换速率

②影响压摆率的因素

③Slew rate vs Bandwidth（带宽）

④Slew Rate vs Frequency Response（频率响应）

01什么是转换速率？

转换速率是运算放大器输出电路可以产生的最大电压变化速率。它以相对于时间的电压来测量，数据表中使用的典型单位是 V/μs。因此它表示其输出电压 (Vo) 变化的速度。

处理交流信号或用作比较器时需要注意该参数。转换速率越大，相应的运算放大器带宽就越高。

转换速率有助于防止运算放大器的输出失真过多。

因此，转换速率必须很高才能确保最高的不失真输出电压摆幅。

02是什么导致转换率？

一般来说，压摆率主要取决于运算放大器动态响应的两个特性。

①运算放大器的输出不能立即响应输入的变化。因此，从输入变化到输出变化存在不可避免的延迟。

②当运算放大器以负反馈配置连接时，在某些情况下，这种延迟会导致施加到反相输入端子的电压与施加到非反相输入端子的电压之间存在较大差异。这个大的差分电压改变了差分对输入级的行为，使得输出电压线性增加（或减少），即VOUT(t) = SR×t。转换速率 (SR) 很大程度上受补偿电容的影响。

压摆率公式为 SR=ΔVout/Δt。转换速率单位为 V/μs 或伏每秒。见图 1。

图1 SR计算

SR 是输出电压幅度相对于时间从 10% 到 90% 的最大变化。 SR属于大信号现象范畴，运放本征级的限流和饱和在更大程度上是导致SR的原因。

决定压摆率的因素有：频率补偿、高增益输入级和输出驱动器限制。

03转换速率与带宽

两个重要的概念与运算放大器速度相关，例如转换速率和带宽。两者共同决定阶跃响应稳定的总时间。

压摆率可以限制通过运算放大器的任何信号变化。回转是一种非线性效应。如果正弦输入信号乘以运算放大器的增益导致斜率高于运算放大器的转换速率，则输出波形的一部分将是直线而不是正弦曲线的弯曲部分。因此，转换可以修改信号的形状，因此是失真源，而不仅仅是幅度或相位的修改。因此，转换会改变或扭曲信号形状。

带宽是它可以对信号内的微小变化做出反应的最高速率。在直流偏置下，可以使用静态功率来设计运算放大器，使其接受小信号或幅度很小的信号。当这些信号通过傅立叶变换分解时，就会添加极其不同的频率，范围从小频率到极大频率。当带宽较高时，运算放大器能够增加较高频率的信号，因此它们具有较高的速度。信号增益为1/√2(0.707)时的频率，就是运算放大器的完美带宽值。因此，这是运算放大器可以按照预期行为发挥作用的最高频率。

04转换速率与频率响应

当我们处理正弦信号时，运算放大器会在高频下失去增益，而当我们处理瞬态事件时，相同的基本机制会限制输出信号的最大变化率。但是，重要的是要认识到频率响应和转换速率是不同的现象，这两种现象的影响根本不同。

压摆率是放大器对输出变化做出反应的速率。在不同频率、等幅值的不同波形中，我们可以发现每个正弦波的幅值是相同的；单位时间内电压变化最大的是频率最大的信号。

因此，当频率增加时，转换速率逐渐产生影响，直到转换速率不能随波形频率持续而达到阈值。

因此，在此之后，高频响应可能会受到转换速率的影响，导致固定点上的信号严重失真和退化。

5总结

压摆率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于要求较高的运放一般SR＞10V/μs。通过图1我们可以认为其实压摆率就是一个爬升过程，压摆率越大爬升越快，越小爬升越慢，意味着在信号到来时，不能准确的跟上，当跟上时，信号已经消失流走了，使得只能跟上一半或者更低，这样就容易失真。或者说压摆率就是个斜率，斜率越陡压摆率越大。我们来看图2所示，输入一个方波信号，输出理论应该像右边上面方波一样的图形，但实际会像下面梯形这个图像，就是因为实际使用中该爬升过程受压摆率影响，因此可以看见这个爬升过程需要时间，压摆率越大，爬升的时间就越小，就说明很快就能登顶，那么这个斜率就越大，越接近理想中想要的波形。

图2 压摆率对输出的影响示意图

因此，压摆率太小响应速度会慢，导致输出跟不上输入的变化节奏，就会出现失真情况，所以选择运放时，一定要关注SR的参数。