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理想運放是一種電壓放大器，具有無限的輸入阻抗，零輸出阻抗和無限的帶寬。然而，在現實世界中，由于半導體制造小缺陷、溫度效應等因素，這些參數將是有限的。

然而，除了上面的參數，有一個參數常常被忽視，但卻很中澳，那就是壓擺率（Slew Rate）。它不是寄生效應，而是一種有意降低運放速度以確保穩定性的操作。

在本文中，我們將學習運算放大器的壓擺率，它的來源，并對經典的741運放進行一些計算。

啥是壓擺率

壓擺率是指運放的輸入變化時，運放隨之改變其輸出電壓的速度有多快。

通常以伏特每單位時間的單位來測量壓擺率，更常見的是以伏特每微秒（V/µs）為單位。理想運放具有無限的壓擺率，意味著它可以在輸入變化時立即改變其輸出。

下面的圖示展示了運放對階躍輸入（step input）的輸出：

上圖清楚地顯示了運放具有有限的上升時間，電壓隨時間線性增加。輸出電壓隨時間的斜率就是壓擺率。

為什么運放需要有限的壓擺率？

為了確保輸出其輸出信號的穩定性，通過使用補償電容來，運放有意限制了輸出擺幅，從而限制了輸出的壓擺率。

下面的圖示顯示了補償和未補償運放的效果：

盡管未補償的運放更快，因為上升和下降沿速度較快，但存在著振鈴（ringing ）現象，這可能會導致穩定性問題。

補償是通過在運放的驅動級添加米勒電容來實現的。

上圖中，補償電容是C1，具有30pF的小值。它被放置在輸出晶體管驅動器的輸入和輸出之間。這可以簡化為下圖所示。

上圖中，在基極和集電極之間添加了一個電容。這個電容有時被稱為米勒電容（Miller capacitor ），因為它類似于BJT晶體管的基極和集電極之間的寄生米勒電容。

當輸入上升時，集電極上的輸出開始下降。這在電容上創建了電壓差，并且電流開始流經它。

根據電容的電壓、電流、電容和時間之間的簡單關系式：

I/C = ΔV/Δt

我們可以理解電容上的電壓是線性增加的。這個電壓出現在輸出上，看起來像一個斜坡波形。這阻止了輸出在輸入變化時突然改變，輸出壓擺率由補償電容和驅動電流的電容決定。這個基本原理被用來補償幾乎所有的運放。

為什么運放有壓擺率限制？

運放有壓擺率限制的最重要原因是穩定性。在輸出相移超過180度的頻率上具有足夠高增益的放大器可能會振蕩（oscillate）。

高壓擺率意味著信號包含高頻成分，這可能會導致問題。補償電容會低通濾波這些高頻成分，因此輸出壓擺率會減小。

如何計算運放的壓擺率？

有兩種方法可以用于測量壓擺率。第一種方法是使用示波器測量輸出擺幅，然后使用下面的壓擺率公式計算壓擺率：

Slew Rate = (Vi – Vf)/(ti – tf)

其中

Vi 是初始電壓

Vf 是最終電壓

ti 是測量初始電壓的時間

tf 是測量最終電壓的時間

壓擺率的單位總是以伏特每微秒給出。使用示波器的光標功能很容易進行這種測試。

現在，如果我們應用相同的公式來計算理想運放的情況，時間延遲（ti - tf）將為零，因此壓擺率將為無窮大。因此，理論上，理想運放的壓擺率將始終為無窮大。

通常，初始電壓被取為最大值的10%，而最終電壓被取為最大值的90%，因為這是常見的上升時間測量范圍。壓擺率值總是包含在各個運放的數據手冊中。

一個例子 741 運放的壓擺率

LM741是一個經典的運放，已經存在很長時間，非常適合這個示例。在每個運放的數據表中，都可以找到大信號輸出響應的圖表。

上圖中，可以清楚地看到輸出電壓以固定的斜率變化。

以下降沿為例，它從70µs開始，到90µs結束，時間差為20µs，電壓幅度為10V（從-5V到+5V），使用上面的公式，我們得到壓擺率為0.5V/µs，這與數據表中的數值完全相符。

總結

本文學習了運放的壓擺率（slew rate）的概念、測量方法和計算公式，以及壓擺率對運放性能的影響。