浅析运算放大器的压摆率

对电子工程师而言，运算放大器是模拟电路中不可或缺的器件，可以用它来进行信号增益调整，滤波器设计，作为ADC驱动器等。运算放大器有各种不同的参数，本文主要讨论运算放大器的压摆率参数，以ADI产品中常用的ADA4622-1为例对该参数以及对放大器性能的影响进行说明。

压摆率 (Slew Rate)，是运算放大器的一个重要参数。它反映了放大器输入一个阶跃信号时，输出端电压的最大变化速率，通常以V /μs表示。以ADA4622-1为例，下面图1中可以看出数据手册里对压摆率的说明。

我们也可以测量运算放大器输出端的波形来计算压摆率。以图2波形为例，tr为输出信号上升时间，tf为输出信号下降时间，通过计算ΔV/tr，ΔV/tf,就可以分别得到放大器输出信号上升以及下降时的压摆率。

对于一个输出为正弦波的信号，输出电压可表示为：

Vout = Vp * sin(2*π *f*t)，其中Vp为信号幅值，f为信号频率。

这个输出电压对时间求导可得：

dv/dt=2πfVpcos(2πft)

（dv/dt）max=2πfVp 

上式的max是指在求导后的余弦信号在t=0时得到最大值，也就是说原正弦信号在t=0时压摆率最大。 可以看出dV/dt表示的压摆率，跟信号的频率有关，还与信号的输出幅值有关。上式中，如果Vp 是运放的输出峰值电压。则放大器压摆率可表示为：

Slew Rate=（dv/dt）max=2*π*FPBW*Vp             (1)

此时FPBW就是运放的全功率带宽，也就是在放大器输入为大信号，输出为最大变化率时，不会引起输出信号失真的最高信号频率。

根据推导，在电路设计中，已知信号输出峰值以及信号最高频率，可用以下公式计算出运算放大器所需的压摆率的最小值。

S ≥ 2π fVp

f = 最高信号频率 (Hz)

Vp = 信号的最大峰值电压 (V)

举例，输出2Vp , 25kHz最高频率的信号, 根据以上公式运算, 至少需要压摆率0.314V/μs的运算放大器。

反过来，已知放大器的压摆率以及输出信号峰值，也可计算出不引起输出信号失真的最大输入信号频率：

f≤ Slew rate/2πVp                                            (2)

以ADA4622-1为例，当±15V供电时，压摆率为23V/us,当输出信号幅值为2V时，根据第2节中的推导的公式（2）可以算出理论满功率带宽为1.8MHz左右；

首先设置输入信号为幅值2V的大信号，频率为1.8MHz，用下面电路图3进行仿真

测量Vout输出波形如下图4所示，可以看出输出信号底部已经出现失真；

进一步增大输入信号频率至2MHz，输出波形如下图5，可以看出输出信号顶部以及底部均开始失真；

减小输入信号频率至1.7MHz，可以看出底部失真逐步减小，这与计算过程基本相符；

由此仿真可以看出，放大器的输入信号为大信号时，由于压摆率的限制，当信号频率接近或者超过满功率带宽（大信号带宽）时，会引起输出信号的失真。

以上论述的是输入信号为大信号的情况，那么当输入信号为小信号时，会不会有压摆率限制问题呢？以ADA4622-1手册中测试曲线进行说明，当输入信号为100mVpp时，输出信号大概在0.05uS上升或者下降完成，由此计算出压摆率为100mV/0.05uS=2V/us，远小于手册中典型值，因此压摆率不受限。

除了考虑输入信号为大信号时由于压摆率受限而引起输出失真问题，我们还可以关注下对放大器其它性能的影响：

• 一般较高的压摆率将有更高的工作电流，这会导致更高的功耗，也有压摆率高功耗低的情况。
• 较高的压摆率会产生电磁干扰（EMI）。

综上所述，我们可以得知如何查找以及计算运算放大器的压摆率。可以发现运算放大器的压摆率可为正值或者负值，并且两者数值不一定相等。特别是当放大器的输入信号为大信号时，由于压摆率的限制，会引起输出信号失真问题。因此，在实际工程设计时，我们要根据应用情况进行计算或者仿真并且留有一定的设计余量，选择合适压摆率的放大器，同时考虑综合功耗，电磁兼容设计等因素，使电路的性能达到最佳。