運(yùn)放的壓擺率是怎么來的？

當(dāng)我們談?wù)摾硐?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1553747.html">運(yùn)放時，實(shí)際上是在說一種電壓放大器，它擁有無窮大的輸入阻抗、零輸出阻抗和無窮大的頻寬。不過，在現(xiàn)實(shí)生活中，由于半導(dǎo)體制造中的微小瑕疵、溫度影響等因素，這些理想化的性能參數(shù)會變得有限。

然而，除了之前提到的參數(shù)外，還有一個常被忽視但卻極為重要的參數(shù)，那就是壓擺率（Slew Rate）。壓擺率并非一種寄生效應(yīng)，而是一項(xiàng)有意降低運(yùn)放速度以確保其穩(wěn)定性的權(quán)宜之計(jì)。接下來需要我們深入了解運(yùn)算放大器的壓擺率，探討其產(chǎn)生的原因，并對經(jīng)典的LM358運(yùn)放進(jìn)行一些計(jì)算。通過這些內(nèi)容，我們將學(xué)習(xí)壓擺率在電路設(shè)計(jì)中的重要性以及如何應(yīng)對它，以便我們更好地理解和利用這一關(guān)鍵性能指標(biāo)。

什么是壓擺率

壓擺率是指當(dāng)運(yùn)放的輸入發(fā)生變化時，運(yùn)放輸出電壓以多快的速度做出相應(yīng)的改變。通常我們用伏特每單位時間的單位來度量壓擺率，常見的單位是伏特每微秒（V/μs）。理想的運(yùn)放具有無限的壓擺率，這意味著它可以在輸入變化時立即改變其輸出。下面的圖示展示了運(yùn)放對階躍輸入的輸出：

上圖清晰展示了運(yùn)放具有有限的上升時間，即電壓隨時間線性增加的過程。輸出電壓隨時間的斜率即為壓擺率，這是電壓擺動速度的一種衡量方式。

為什么運(yùn)放需要有限的壓擺率？

為了確保輸出信號的穩(wěn)定性，運(yùn)放有意通過使用補(bǔ)償電容限制了輸出擺幅，從而限制了輸出的壓擺率。下面的圖示展示了補(bǔ)償和未補(bǔ)償運(yùn)放的對比效果：

盡管未補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放具有更快的響應(yīng)速度，但由于上升和下降沿的速度過快，因而存在振鈴（ringing）現(xiàn)象，這可能引發(fā)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。為了解決這個問題，設(shè)計(jì)上通過在運(yùn)放的驅(qū)動級添加米勒電容來實(shí)現(xiàn)的。這種補(bǔ)償策略可以有效地平衡速度和穩(wěn)定性，確保輸出信號的精準(zhǔn)性和可靠性。

上圖中，補(bǔ)償電容是C1，具有30pF的小值。它被放置在輸出晶體管驅(qū)動器Q15的輸入和輸出之間。這可以簡化為下圖所示。

在上圖中，我們在基極和集電極之間添加了一個電容。這個電容有時被稱為米勒電容（Miller capacitor），因?yàn)樗愃朴?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/MOSFET/">MOSFET的柵極和漏極之間的寄生米勒電容。當(dāng)輸入上升時，集電極上的輸出開始下降。這導(dǎo)致電容上出現(xiàn)電壓差，并促使電流開始流動。根據(jù)電容的電壓、電流、電容和時間之間的簡單關(guān)系式：I/C?=?△V/△T
我們可以理解電容上的電壓是線性增加的。這個電壓出現(xiàn)在輸出上，形成一個斜坡狀的波形。這有助于阻止輸出在輸入變化時突然改變。實(shí)際上，輸出壓擺率是由補(bǔ)償電容和驅(qū)動電流的電容決定的。這個基本原理被廣泛應(yīng)用于幾乎所有運(yùn)放的補(bǔ)償設(shè)計(jì)中。

如何計(jì)算運(yùn)放的壓擺率？

使用示波器和信號發(fā)生器可以測量壓擺率。使用示波器測量輸出擺幅，然后使用下面的壓擺率公式計(jì)算壓擺率：Slew Rate = (Vi -Vf)/(Ti -Tf)

其中：

Vi是初始電壓

Vf是最終電壓

Ti 是測量初始電壓的時間

Tf 是測量最終電壓的時間

壓擺率的單位通常以伏特每微秒給出，而使用示波器的光標(biāo)功能可以輕松進(jìn)行這種測試。現(xiàn)在，如果我們應(yīng)用相同的公式來計(jì)算理想運(yùn)放的情況，時間延遲（Ti - Tf）將為零，因此理想運(yùn)放的壓擺率將為無窮大。因此，從理論上講，理想運(yùn)放的壓擺率將始終為無窮大。通常，初始電壓被取為最大值的10%，而最終電壓被取為最大值的90%，因?yàn)檫@是常見的上升時間測量范圍。壓擺率值通常包含在各個運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊中，可供工程師們參考。

LM358運(yùn)放的壓擺率

LM358是一個經(jīng)典的運(yùn)放，已經(jīng)存在很長時間，非常適合這個示例。在每個運(yùn)放的數(shù)據(jù)表中，都可以找到大信號輸出響應(yīng)的圖表，Large-Signal Step Response。

上圖中，可以清楚地看到輸出電壓以固定的斜率變化。以下降沿為例，它從74μs開始，到82μs結(jié)束，時間差為8μs，電壓幅度為4V（從-2V到+2V），使用上面的公式，我們得到壓擺率為0.5V/μs，這與數(shù)據(jù)表中的數(shù)值基本相符。

總結(jié)

文中我們討論了運(yùn)放的壓擺率（slew rate）的概念、測量方法和計(jì)算公式，以及壓擺率對運(yùn)放性能的影響，后續(xù)將繼續(xù)展開在電機(jī)電流采樣等應(yīng)用當(dāng)中如何評估壓擺率。