在電子電路領(lǐng)域，特別是在模擬電路和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與分析中，Slew Rate（壓擺率，簡(jiǎn)稱 SR）是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。它不僅衡量了電路輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化的快速程度，也是評(píng)價(jià)電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

本文將對(duì) SR 的定義及其在系統(tǒng)應(yīng)用中的意義和測(cè)試方法進(jìn)行詳細(xì)解析。同時(shí)，還將探討影響 SR 的因素，以及如何在實(shí)際應(yīng)用中合理選擇電路元件，確保電路性能達(dá)到預(yù)期水平。

SR 定義，單位，表達(dá)式

壓擺率（Slew Rate，簡(jiǎn)稱 SR）是電子電路中的關(guān)鍵參數(shù)，它描述了信號(hào)變化的速度和精度。SR 衡量的是在給定時(shí)間內(nèi)，輸出信號(hào)能夠跟隨輸入信號(hào)變化的最大速率。

在單位方面，壓擺率通常用伏特每微秒 (V/μs)、伏特每毫秒 (V/ms) 或伏特每秒 (V/s) 來(lái)表示。

（1）

SR 的意義及測(cè)試方法

在模擬電路中，壓擺率是評(píng)估電路性能和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。由于運(yùn)放處理的信號(hào)往往具有較大的幅值，因此關(guān)注運(yùn)放的壓擺率至關(guān)重要。壓擺率可以理解為運(yùn)放輸入階躍信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)的最大變化速度。

如圖 1 所示，計(jì)算壓擺率時(shí)，通常測(cè)量輸出信號(hào)從 10% 到 90% 的電壓變化量并除以這一時(shí)間段。

（1）

圖 1. 輸出信號(hào)從 10% 到 90%

的電壓變化示意圖

壓擺率對(duì)電路性能有直接影響，因?yàn)樗鼪Q定了電路輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的能力。在電路設(shè)計(jì)中，必須確保輸出信號(hào)的變化速率不超過(guò)運(yùn)放的壓擺率，以避免信號(hào)失真。例如，對(duì)于一個(gè)正弦波信號(hào)，其過(guò)零點(diǎn)的變化速率必須小于運(yùn)放的壓擺率，否則輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生失真，原先正弦波信號(hào)就變成了三角波信號(hào)。對(duì)于大輸出信號(hào)而言，如果 SR 過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致高頻輸出幅值受到限制。

對(duì)一個(gè)正弦波來(lái)說(shuō)，其最大變化速率發(fā)生在過(guò)零點(diǎn)處，且與信號(hào)幅度、頻率有關(guān)。

如圖 2 所示，該正弦信號(hào)是運(yùn)放的輸入信號(hào)，假設(shè)該正弦信號(hào)的幅度為 Vp，頻率為 f，該正弦信號(hào)的表達(dá)式為：Vin(t) = Vp x sinωt = Vp x sin(2πf x t)，過(guò)零點(diǎn)變化速率為 dv/dt。

圖 2.輸入信號(hào)示意圖

對(duì)于單位增益跟隨器而言，輸出信號(hào)應(yīng)為：

（2）

其斜率為(對(duì)其求導(dǎo))：

（3）

所以其斜率最大值(過(guò)零點(diǎn)斜率)：

（4）

當(dāng)我們要想輸出不失真的正弦波時(shí)，則運(yùn)放的壓擺率必須大于正弦波過(guò)零點(diǎn)變化速率。即：SR>2πf x Vp。

必易微 KS11062

以必易微 KS11062 芯片為例，該芯片是一款低壓、低功耗的 11MHz 帶寬軌到軌運(yùn)放。按照?qǐng)D 3 所示的電路測(cè)試其壓擺率時(shí)，使用信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)幅度為 ±2V、頻率為 10kHz 的方波信號(hào)，并通過(guò)示波器測(cè)量輸出波形。

圖 3. SR 測(cè)試電路示意圖

圖 4. 運(yùn)放的輸入/輸出信號(hào)的測(cè)試波形

測(cè)試結(jié)果如圖 4 所示，在 248ns 內(nèi)，電壓變化量為 3.228V，計(jì)算得到 SR 為 13.02V/μs，與表 1 中的 13V/μs 相符。

表 1.SR 參數(shù)指標(biāo)

下面我們?cè)龠M(jìn)行一系列測(cè)試來(lái)展示不同頻率信號(hào)下 KS11062 輸出波形的變化：

情況 1

信號(hào)所需 dv/dt 遠(yuǎn)大于運(yùn)放 SR

輸入信號(hào)波形為 2MHz，根據(jù)計(jì)算運(yùn)放所需 dv/dt=2π x f x Vp=8πV/μs=25.12V/μs。測(cè)試波形如圖 5 所示，運(yùn)放輸出已經(jīng)嚴(yán)重失真了，而且輸出高電平達(dá)不到 VOH。

圖 5. 當(dāng) dv/dt 大于

運(yùn)放 SR 的測(cè)試波形

情況 2

信號(hào)所需 dv/dt 約等于運(yùn)放 SR

輸入信號(hào)波形為 1MHz，dv/dt=2π x f x Vp=4πV/μs=12.56V/μs，dv/dt 接近 SR。波形如圖 6 所示，運(yùn)放可以正常輸出高電平和低電平，但由于輸入信號(hào)頻率較大，而運(yùn)放壓擺率有限，輸出有些失真。

圖 6. 當(dāng) dv/dt 接近運(yùn)放 SR 的測(cè)試波形

情況 3

信號(hào)所需 dv/dt 小于運(yùn)放 SR

輸入信號(hào)波形為 100kHz 時(shí)，dv/dt=2π x f x Vp=0.4πV/μs=1.256V/μs，波形如圖 7 所示，運(yùn)放的輸出沒(méi)有失真。

圖 7.當(dāng) dv/dt 小于運(yùn)放 SR 的測(cè)試波形

所以我們實(shí)際使用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求來(lái)確定合適的壓擺率，選擇合適的芯片。

SR 的影響因素

圖 8.運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

如圖 8 所示，壓擺率受運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，特別是第二級(jí)的密勒 Cc 電容。這個(gè)電容不僅影響運(yùn)放的帶寬，也是決定壓擺率的關(guān)鍵因素。電容的大小和充電電流的大小都會(huì)影響充電速度，進(jìn)而影響壓擺率。因此，超低功耗的運(yùn)放通常壓擺率較低。

由上文可知，當(dāng)我們要想輸出完美的正弦波，則運(yùn)放的壓擺率必須大于正弦波過(guò)零點(diǎn)變化速率。即：SR>dv/dt=2π x f x Vp，所以 FPBW=f

SR 與帶寬 (FPBW) 的關(guān)系是：SR 越高，帶寬越高，但靜態(tài)電流也越大。在選擇運(yùn)放時(shí)，需要根據(jù)電路的應(yīng)用場(chǎng)景和要求來(lái)確定合適的壓擺率。高速、高精度的模擬電路通常需要更高的壓擺率，但同時(shí)也要考慮成本和功耗。

如表 2 所示，是必易微推出的多款放大器參數(shù)指標(biāo)：

表 2. 必易微放大器選型表

總結(jié)

壓擺率是電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響到信號(hào)的準(zhǔn)確性和電路的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)和選擇模擬電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求來(lái)確定合適的壓擺率，平衡性能和成本。過(guò)低的壓擺率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，而過(guò)高的壓擺率可能會(huì)增加功耗和成本。

必易微 KS11062 除了優(yōu)越的 SR 性能外，還具有 Vos 低，溫漂小，高 CMRR 和 PSRR 等優(yōu)異的性能指標(biāo)，可以滿足白電，掃地機(jī)，光伏，工業(yè)自動(dòng)化，電池化成等應(yīng)用的需求。同時(shí)必易微可為客戶提供多種規(guī)格產(chǎn)品解決方案以滿足不同應(yīng)用需求。

審核編輯：劉清