4426
当我们谈论理想运放时，实际上是在说一种电压放大器，它拥有无穷大的输入阻抗、零输出阻抗和无穷大的频宽。不过，在现实生活中，由于半导体制造中的微小瑕疵、温度影响等因素，这些理想化的性能参数会变得有限。
然而，除了之前提到的参数外，还有一个常被忽视但却极为重要的参数，那就是压摆率（Slew Rate）。压摆率并非一种寄生效应，而是一项有意降低运放速度以确保其稳定性的权宜之计。接下来需要我们深入了解运算放大器的压摆率，探讨其产生的原因，并对经典的LM358运放进行一些计算。通过这些内容，我们将学习压摆率在电路设计中的重要性以及如何应对它，以便我们更好地理解和利用这一关键性能指标。
什么是压摆率
压摆率是指当运放的输入发生变化时，运放输出电压以多快的速度做出相应的改变。通常我们用伏特每单位时间的单位来度量压摆率，常见的单位是伏特每微秒（V/µs）。理想的运放具有无限的压摆率，这意味着它可以在输入变化时立即改变其输出。下面的图示展示了运放对阶跃输入的输出：
上图清晰展示了运放具有有限的上升时间，即电压随时间线性增加的过程。输出电压随时间的斜率即为压摆率，这是电压摆动速度的一种衡量方式。
为什么运放需要有限的压摆率？
为了确保输出信号的稳定性，运放有意通过使用补偿电容限制了输出摆幅，从而限制了输出的压摆率。下面的图示展示了补偿和未补偿运放的对比效果：
尽管未补偿的运放具有更快的响应速度，但由于上升和下降沿的速度过快，因而存在振铃（ringing）现象，这可能引发电路系统的稳定性问题。为了解决这个问题，设计上通过在运放的驱动级添加米勒电容来实现的。这种补偿策略可以有效地平衡速度和稳定性，确保输出信号的精准性和可靠性。
上图中，补偿电容是C1，具有30pF的小值。它被放置在输出晶体管驱动器Q15的输入和输出之间。这可以简化为下图所示。
在上图中，我们在基极和集电极之间添加了一个电容。这个电容有时被称为米勒电容（Miller capacitor），因为它类似于MOSFET的栅极和漏极之间的寄生米勒电容。当输入上升时，集电极上的输出开始下降。这导致电容上出现电压差，并促使电流开始流动。根据电容的电压、电流、电容和时间之间的简单关系式：I/C = △V/△T
我们可以理解电容上的电压是线性增加的。这个电压出现在输出上，形成一个斜坡状的波形。这有助于阻止输出在输入变化时突然改变。实际上，输出压摆率是由补偿电容和驱动电流的电容决定的。这个基本原理被广泛应用于几乎所有运放的补偿设计中。
如何计算运放的压摆率？
使用示波器和信号发生器可以测量压摆率。使用示波器测量输出摆幅，然后使用下面的压摆率公式计算压摆率：Slew Rate = (Vi -Vf)/(Ti -Tf)
其中：
Vi是初始电压
Vf是最终电压
Ti 是测量初始电压的时间
Tf 是测量最终电压的时间
压摆率的单位通常以伏特每微秒给出，而使用示波器的光标功能可以轻松进行这种测试。现在，如果我们应用相同的公式来计算理想运放的情况，时间延迟（Ti - Tf）将为零，因此理想运放的压摆率将为无穷大。因此，从理论上讲，理想运放的压摆率将始终为无穷大。通常，初始电压被取为最大值的10%，而最终电压被取为最大值的90%，因为这是常见的上升时间测量范围。压摆率值通常包含在各个运放的数据手册中，可供工程师们参考。
LM358运放的压摆率
LM358是一个经典的运放，已经存在很长时间，非常适合这个示例。在每个运放的数据表中，都可以找到大信号输出响应的图表，Large-Signal Step Response。
上图中，可以清楚地看到输出电压以固定的斜率变化。以下降沿为例，它从74µs开始，到82µs结束，时间差为8µs，电压幅度为4V（从-2V到+2V），使用上面的公式，我们得到压摆率为0.5V/µs，这与数据表中的数值基本相符。
总结
文中我们讨论了运放的压摆率（slew rate）的概念、测量方法和计算公式，以及压摆率对运放性能的影响，后续将继续展开在电机电流采样等应用当中如何评估压摆率。
下载ECAD模型
