運放-7-運放的壓擺率SR啥時候考慮

上一節我們說了下運放的增益，并在文末給出了如何評估運放帶寬是否足夠的計算方法，但是呢，這個評估帶寬的方法，也只是做了一半的工作，還有一個壓擺率SR需要評估。

先來看一個具體的例子，壓擺率SR造成的問題現象。

例子

1、使用TI的TLV9061軌至軌運放，構建下面的放大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、現在我們輸入1Mhz的1V的正弦波進去運行下：

可以看到，輸入1V，輸出1V，有一點相移，但是沒毛病。

3、將輸入信號調大，頻率保持1Mhz不變，幅度調到1.5V我們再運行一下：

可以看懂，輸入1.5V的時候，輸出嚴重失真，不僅幅度達不到1.5V，波形也酷似三角波。這是為啥嗯？1V輸入的時候沒問題，1.5V的時候輸入有問題，難道是運放仿真模型不對，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，說明不是軌至軌的問題，那是帶寬的問題嗎？

要知道TLV9061的增益帶寬積是10Mhz，現在電路放大倍數為1倍，這種情況下理論可以放大10Mhz的信號，現在才1Mhz就不行了？另外1V/1Mhz輸入沒問題，說明也不是帶寬的問題，然后又不是幅度的問題，因為1.5V/500khz又沒問題，說明輸出達到1.5V是沒問題的，那到底是哪里的問題呢？

答案自然是前面提到的壓擺率SR的問題了。

壓擺率SR

先看下壓擺率SR是怎么定義的

運放的壓擺率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速率還快的變化，那么運放就提供不了，這就會導致輸出波形變形，原本的正弦波就變成了三角波。

設計中該如何考慮？

簡單來說，在設計中，我們一般是知道我們輸入的信號是長什么樣子的，也知道運放的放大倍數，那么也就知道我們輸出信號長什么樣子，我們需要保證輸出信號的最大斜率小于運放的SR參數就可以了。

以正弦波為例，假如我們需要運放輸出幅度Vp，頻率F的信號，那么需要運放的SR達到多大呢？

對于正弦波而言，幅度Vp，頻率F信號可以用式子Vo(t)=Vp*sin(2πF*t)來表示。我們可以求得它的斜率表達式（其實就是高中的函數求導）:

dVo(t)/dt=2πF*Vp*cos(2πF*t)。

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

即：2πF*Vp<SR。

式子2πF*Vp里面有兩個變量，一個是信號幅度Vp，一個是信號頻率，在信號幅度比較小，頻率低時，2πF*Vp<SR這個條件比較容易滿足。與此同時，頻率一般會受到帶寬的限制，所以，輸出信號幅度小的時候，頻率滿足增益帶寬積要求時，壓擺率一般不會有問題。而信號幅度大的時候，即使頻率在增益帶寬積范圍內，也有可能因為壓擺率不夠導致信號失真。

關于上面這一點，百度百科說得很清楚：

回到前面的問題

前面的例子中，我們有三種輸入的情況，對應期望的輸出信號是

a、1V/1Mhz

b、1.5V/1Mhz

c、1.5V/500Khz

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

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

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

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

我們再從運放TLV9061手冊中得到其壓擺率SR=6.5V/us

可以看到，a和c兩種情況都是滿足最大斜率[dVo(t)/dt]max<SR的，所以其波形沒有失真。而b這種情況，其最大斜率為9.42V/us，而運放最大只能輸出SR=6.5V/us，運放的能力輸出不了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，輸出波形嚴重失真的原因。

小結

本期就寫到這里了，主要講了啥是壓擺率SR，并且設計過程中可以用公式：2πF*Vp<SR 來評估運放的SR是否滿足要求。

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

仿真源文件下載

在我的微信公眾號“硬件工程師煉成之路”后臺回復“煉成之路”，就可以下載了，放置在了：器件—>運放—>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路徑下面）。

關于壓擺率SR的內容，TI也有對應的視頻教程，可以去看看，鏈接如下：

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

以上內容純屬個人觀點，如有問題，歡迎留言交流