OP AMP Slew Rate: Werken en zijn toepassingen

De slawsnelheid van een operationele versterker (OP AMP) is hoe snel de uitgangsspanning kan veranderen als reactie op een snel veranderend ingangssignaal.Het is belangrijk omdat het de OP -amp niet kan verwerken met snelle signalen zonder vervorming, waardoor de signalen helder en nauwkeurig blijven in verschillende elektronische toepassingen.Deze snelheid, gemeten in volt per microseconde (v/µs), waarbij er hoogfrequente signalen of snelle veranderingen in de invoer zijn.

Dit artikel kijkt een gedetailleerde kijk op hoe verschillende ontwerpkeuzes in versterkers, zoals frequentiecompensatie, uitvoerfase en interne capaciteit, beïnvloeden hoe op-amps werken.Het spreekt ook over de balans tussen de lewsnelheid en de bandbreedte en vergelijkt verschillende versterkers om te helpen bij het kiezen van de juiste voor specifiek gebruik.

Catalogus

Figuur 1: Slew Snelheid meetcircuit

Factoren die de doodsnelheid beïnvloeden bij operationele versterkers

Verschillende elementen beïnvloeden dit percentage en beïnvloeden de algehele prestaties van de OP-AMP.

Frequentiecompensatie is belangrijk om een ​​op-amp stabiel te houden onder verschillende omstandigheden.Het omvat het gebruik van interne onderdelen zoals compensatie -condensatoren en feedbacklussen om problemen zoals oscillaties bij hoge frequenties te voorkomen.Deze onderdelen vertragen echter ook hoe snel de op-amp kan reageren op snelle veranderingen in het ingangssignaal, waardoor de slawsnelheid wordt beperkt.Dus hoewel ze helpen met stabiliteit, verminderen ze ook de snelheid van de op-amp om te reageren op plotselinge veranderingen.

Figuur 2: Frequentiecompensatie van op-amp

Het ontwerp van de uitgangspase In een op-amp bevindt zich een andere hoofdfactor die van invloed is op de slawsnelheid.Deze fase omvat componenten zoals uitgangstransistoren en circuits die de huidige behoefte bieden om de belasting te stimuleren.De grootte en het ontwerp van deze onderdelen bepalen hoeveel stroom kan worden geleverd om verbonden condensatoren op te laden of te ontladen die direct de slawsnelheid beïnvloeden.Grotere transistoren kunnen bijvoorbeeld meer stroom bieden, waardoor de uitgangsspanning sneller kan veranderen.Evenzo kunnen circuits die de stroom boost, de op-amp helpen sneller te reageren op plotselinge inputveranderingen, waardoor de slawsnelheid wordt verbeterd.

Figuur 3: OP-AMP-uitvoerstadiumontwerp

In een op-amp worden verschillende condensatoren opslaan en laden uit als het apparaat werkt. De totale hoeveelheid interne capaciteit In feedback- en compensatienetwerken beïnvloedt de slawsnelheid.Deze capaciteit regelt hoe snel de op-amp kan opladen en ontladen, wat beïnvloedt hoe snel de uitgang invoerwijzigingen kan volgen. The Gain Bandwidth Product (GBP) van een OP-AMP stelt een limiet vast voor hoe snel de uitgang het ingangssignaal kan volgen terwijl het nog steeds nauwkeurig is.Een hogere GBP betekent dat de op-amp hogere frequenties aankan zonder precisie te verliezen, wat leidt tot een betere slawsnelheid.

Figuur 4: Op-AMP-versterking bandbreedte

Slew rate vervorming bij operationele versterkers

Figuur 5: Slew -snelheid

Wanneer de slawsnelheid van een op-AMP wordt overschreden, wordt vervorming in het uitgangssignaal duidelijk, met name met sinusgolven.Een sinusgolf stijgt soepel en valt, en de snelste verandering vindt plaats op het nul-kruisingspunt.Als de frequentie of sterkte van de sinusgolf te hoog is voor de op-amp, ziet de uitgang niet uit als de gladde sinusgolf die erin is gegaan. In plaats daarvan verandert de uitgang in een driehoekige vorm omdat de op-amp het niet kan veranderenVoer snel genoeg uit om de invoer bij te houden.

Deze driehoekige output is een duidelijk teken van wat bekend staat als Slew Strate Distortion.Dit type vervorming is een probleem omdat het niet alleen de vorm van de golfvorm verandert, maar ook ongewenste frequenties introduceert die andere delen van het circuit kunnen verpesten.Deze situatie laat duidelijk zien hoe een op-amp kan worstelen met snelle veranderingen in het invoersignaal.

Om de vervorming van de doodsnelheid te voorkomen, is het belangrijk om een ​​op-amp te kiezen met een slaw-snelheid die hoger is dan de snelste spanningsverandering die u in uw toepassing verwacht.Denk na over zowel de sterkte als de snelheid van het signaal om de rechterhulpsnelheid te achterhalen.Op deze manier kan de OP-AMP snelle veranderingen aan zonder de uitvoer te verpesten.

Figuur 6: Slew Strate Distortion

Het berekenen van de vereiste slawsnelheid

De formule die wordt gebruikt om de vereiste slawsnelheid te berekenen, is:

In deze formule:

• is de hoogste frequentie van het signaal dat u wilt versterken (gemeten in Hertz, Hz).

• is de piekspanning van dat signaal (gemeten in volt, v).

Stel dat u een signaal wilt versterken met een piekspanning van 5V en een frequentie van 25 kHz.U zou de slawsnelheid als volgt berekenen:

Wanneer u deze waarden vermenigvuldigt, krijgt u:

Vergelijk ten slotte de berekende slawsnelheid met de specificaties van de OP-AMP die u van plan bent te gebruiken.De slawsnelheid van de OP-AMP moet minstens zo hoog zijn als de berekende waarde om de vervormingsvrije werking te garanderen.

Figuur 7: Slew Rate Formula

Hier is nog een voorbeeld.Stel je voor dat je een sinusvormig signaal moet besturen met de volgende kenmerken:

• Piek-tot-piek spanning: 5V

• Maximale frequentie: 1 MHz (1 miljoen cycli per seconde)

Ons doel is om de minimale slawsnelheid te berekenen die nodig is voor een op -amp om dit signaal zonder vervorming te verwerken.

Om de waarden voor een 5V piek-naar-piek signaal af te breken, berekenen we eerst de piekspanning.De piekspanning is de helft van de piek-tot-piekspanning.Voor een signaal met een piek-tot-piekwaarde van 5V, de piekspanning () zou 2,5 V zijn, zoals berekend door de formule:

Bovendien is de maximale frequentie () wordt geleverd als 1 MHz.

De Slew Rate (SR) is een maat voor hoe snel de output van een OP -AMP kan veranderen.Om vervorming te voorkomen, moet de slawsnelheid snel genoeg zijn om het signaal bij te houden.De formule om de slawsnelheid te berekenen is:

Laten we de waarden in de formule invoegen:

Dit vereenvoudigt:

Dus, om ervoor te zorgen dat uw OP-AMP het 5V piek-naar-pieksignaal kan verwerken met een frequentie van 1 MHz zonder vervorming, moet het een slawsnelheid hebben van ten minste 15,7 V/μs.

Shew rate versus bandbreedte

Het verband tussen de lewsnelheid en bandbreedte in operationele versterkers is vereist voor hun vermogen om hoogfrequente signalen te verwerken.Door een hogere slawsnelheid kan de uitgangsspanning sneller veranderen en in sommige gevallen de bandbreedte van de versterker verbeteren.Alleen al een snelle snelheid garandeert geen brede bandbreedte.Bandbreedte wordt ook beperkt door factoren zoals de interne compensatie van de op -amp en het ontwerp van de interne fasen.Deze beperkingen benadrukken dat hoewel zowel de Shew -snelheid als de bandbreedte belangrijk zijn, ze niet direct aan elkaar gelijk zijn en beide moeten worden overwogen voor optimale prestaties.

Bij het ontwerpen van circuits moet u zorgvuldig de slawnelheid en bandbreedte in evenwicht brengen om aan de vereisten van specifieke toepassingen te voldoen.Als de slawsnelheid te laag is, kan de versterker signalen vervormen die snel veranderen, zelfs als de bandbreedte op papier voldoende lijkt.Omgekeerd zal een versterker met beperkte bandbreedte moeite hebben om hoogfrequente signalen nauwkeurig te versterken, ongeacht de gehele snelheid.Deze onderlinge afhankelijkheid betekent dat beide factoren samen moeten worden geëvalueerd om problemen met signaalintegriteit te voorkomen.

Het selecteren van een operationele versterker vereist het samen rekening houden van zowel de gehele snelheid als de bandbreedte.De gekozen OP AMP moet in staat zijn om het volledige dynamische bereik en het frequentiespectrum van het ingangssignaal af te handelen om problemen zoals signaalvervorming of verlies te voorkomen.

Afbeelding 8: Bandbreedte en Slew Rate

Slewsnelheid van verschillende versterkers

Operationeel Versterker	Slew -snelheid (typ) (V/µs)	IQ (typ) (ma)	Typisch Sollicitatie
LM741	0,5	2.8	Algemeen doel, audioverwerking
TL081	13	3.6	Audio- en videoversterkers, actieve filters
OPA2134	20	4	Professionele audioapparatuur, high-fidelity-versterkers
LM324	0,5	0,8	Consumentenelektronica, sensorversterkers
AD823	30	2.8	Hoge snelheid signaalconditionering, ADC-stuurprogramma's
NE5532	9	8	Audio pre-versterkers, mengconsoles
LT1014	0,2	0,35	Precisie -instrumentatie, DMMS
LM358	0,6	0,7	Low-power applicaties, batterijapparaten
MCP602	2.3	1	Draagbare apparaten, fotodiode versterkers
ADA4898	1000	10	Snelle communicatie, radarsystemen
OPA369	0,05	0,9	Draagbare apparaten met lage kracht, sensorversterkers
OPA333	0,5	0,17	Medische instrumenten, precisiesensoren
OPA277	0,8	2.5	Precisie analoge verwerking, testapparatuur
OPA129	1.5	6.5	Buffering met hoge impedantie, medische instrumenten
OPA350	10	5.5	Video -versterkers, kabelstuurprogramma's
OPA211	27	3.6	High-performance data-acquisitie, audioversterkers
Opa827	25	4.5	Audio -voorversterkers, ADC -buffers, DAC -uitvoerversterkers
OPA835	560	3.9	Widebandversterkers, snelle signaalverwerking
Opa847	6000	20	RF/IF GAIN BLOKKEN, Hoge snelheid communicatie

Conclusie

De slawsnelheid is een kenmerk van operationele versterkers die invloed hebben op hoe goed ze omgaan met snelle signalen en het handhaven van signaalhelderheid.Het artikel bespreekt verschillende factoren die de slawsnelheid beïnvloeden, zoals interne compensatie, uitvoerfaseontwerp en versterkingsbandbreedtebeperkingen.Het bevat een formule voor het berekenen van de vereiste slawsnelheid en onderzoekt de relatie tussen de slawsnelheid en de bandbreedte.Het artikel vergelijkt ook versterkers op basis van hun slaw -tarieven en biedt praktisch advies voor het matchen van versterkingsmogelijkheden met specifieke behoeften, waardoor problemen zoals de vervorming van de Slew Rate worden voorkomen.Over het algemeen helpt deze gedetailleerde verklaring bij het beter begrijpen van op-amps en het verbeteren van elektronische systemen.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat gebeurt er als de leefsnelheid hoog is?

Wanneer een operationele versterker (OP AMP) een hoge slawnelheid heeft, kan deze snel reageren op veranderingen in het ingangssignaal, waardoor de uitgangsspanning zich snel kan aanpassen.Deze mogelijkheid is goed voor toepassingen die snelle signaalverwerking vereisen, zoals video- of RF -communicatie.Een zeer hoge slaw -snelheid kan echter ook uitdagingen opleveren.Het kan oscillaties of instabiliteit in het circuit in feedbacksystemen veroorzaken.Ook kunnen snellere overgangen meer hoogfrequent ruis in het circuit introduceren, mogelijk van voedingslijnen of digitale signalen in de buurt.

2. Hoe regelt u de slawsnelheid?

Het regelen van de slawsnelheid in een operationele versterker (OP AMP) omvat het aanpassen van de interne configuratie van de OP -AMP of het wijzigen van het circuitontwerp.Eén methode is om een ​​OP -amp te selecteren met een inherente slawsnelheid die overeenkomt met de behoeften van uw toepassing, zodat u problemen kunt voorkomen die verband houden met overmatige of onvoldoende snelheid.Een andere methode is om het feedbacknetwerk te wijzigen door weerstands- of condensatorwaarden te wijzigen die kunnen beïnvloeden hoe snel de OP-AMP reageert op inputwijzigingen, waardoor een praktische manier is om prestaties te verfijnen zonder de OP-AMP te vervangen.Externe compensatietechnieken, zoals het toevoegen van bypass -condensatoren of snubbercircuits, kunnen helpen de slawsnelheid te beheren door de stabiliteit te verbeteren en ongewenste oscillaties te verminderen.

3. Is het gehele tarief een hellingspercentage?

Ja, de slawsnelheid wordt vaak beschouwd als een type hellingsnelheid.Het beschrijft de maximale snelheid waarmee de output van een op -AMP kan veranderen en uitgedrukt in volt per microseconde (v/µs).Deze snelheid lijkt op een helling in die zin dat het beperkt hoe steil de uitgangsspanning kan stijgen of dalen, net als een helling regelt de hoek van klim of afdaling.

4. Wat is het verschil tussen de leefsnelheid en de stijgtijd?

Slew -snelheid en stijgtijd zijn gerelateerd maar verschillende parameters bij signaalverwerking.Slew -snelheid meet hoe snel de uitgang van een operationele versterker kan veranderen, wat de maximale snelheid van verandering aangeeft, onafhankelijk van de signaalfrequentie.Stijgingstijd verwijst daarentegen naar de tijd die een signaal nodig heeft om over te stappen van een gespecificeerde lage waarde (10%) naar een hoge waarde (90%) van zijn maximale amplitude, en het is afhankelijk van de frequentie van het signaal en de totale systeembandbreedte.Hoewel de slawsnelheid een grensvoorwaarde instelt voor de maximale capaciteit van de uitgang, is de stijgtijd een waarneembaar kenmerk van hoe een signaal zich binnen die grenzen gedraagt.

5. Wat is de relatie tussen de lewsnelheid en CMRR?

Slew-snelheid en Common-mode afstotingsverhouding (CMRR) zijn twee verschillende aspecten van de prestaties van een operationele versterker (OP AMP).De Slew -snelheid gaat over hoe snel de OP -AMP kan reageren op veranderingen in het ingangssignaal, terwijl CMRR meet hoe goed de OP -AMP ruis of interferentie kan weigeren die beide ingangen gelijk beïnvloedt.Hoewel deze twee factoren niet gerelateerd zijn, kunnen ze elkaar in bepaalde situaties beïnvloeden.Bij bijvoorbeeld high-speed circuits waarbij de op-amp snel moet reageren, kan een hoge gehele snelheid onevenwichtigheden veroorzaken in de interne circuits, die de CMRR kunnen verminderen en fouten of verstoringen kunnen veroorzaken.