在之前那篇《什麼是訊號頻寬?》(編註:本文已刊登於EDN Taiwan 3月號雜誌)的文章中,瞭解了上升時間和頻寬之間的關係。關於上升時間的討論經常會引出一個問題:上升時間與壓擺率(SR)是同一件事嗎?

先來看壓擺率,壓擺率的概念與上升時間類似,但有一些重要區別。如圖1所示,階躍回應的上升時間被定義為波形從終值的10%變為90%所需的時間。(有時上升時間被定義為20/80%)請注意,上升時間透過波形大小的百分比來定義,與所涉及的電壓無關,例如圖1中的波形具有大約3μs的上升時間。

20190712TA31P1 圖1 階躍回應的上升時間是從終值的10%變為90%所需的時間。

壓擺率定義為波形的變化率,與斜率相同。它可以利用算式ΔV/Δt得出,如圖2所示。

圖2顯示了10%和90%兩個點之間的ΔV/Δt,實際上這個算式可以在波形的任何位置進行,因為我們只是在尋找斜率。請注意,壓擺率以V/s(或更常見的V/μs)為單位,實際上也表示它是用來衡量每單位時間電壓的變化率。

20190712TA31P2 圖2 壓擺率是波形的斜率,計算式為ΔV/Δt。

從圖2中,可以計算出壓擺率:

20190712TA31P2-1

現在來設想圖2中的階躍響應增加10倍的情況,從0V變為10V,而上升時間仍然是3μs。則壓擺率計算如下:

20190712TA31P2-2

果然,當上升時間相同時,壓擺率會增加10倍,因為電壓的變化速度快很多。這突出了上升時間和壓擺率之間的關鍵差異:上升時間無關乎絕對的電壓水準,僅表示波形變化所需的時間,而壓擺率則描述電壓的變化率。

正弦波示例

對於輸入為正弦波的情況(如圖3所示),可以應用一些基本的微積分算式得到壓擺率。

v(t) = Vp × sin(2πft)

20190712TA31P3 圖3 正弦波在過零點處具有最大壓擺率。

壓擺率是波形的斜率或導數。

20190712TA31P3-1

當餘弦函數達到其最大值1時,壓擺率也最大。同樣,當餘弦函數達到最小值-1時,壓擺率也最大只是符號相反,圖3還顯示出最大壓擺率點出現在正弦波的過零點處。

SRMAX = 2πfVp

毫不奇怪,最大壓擺率與波形頻率及其幅度成正比。波形越大轉換速率越快。波形頻率越高轉換速率也越快。

放大器規格

到目前為止,本文一直在討論電壓波形的壓擺率,描述電壓變化的速率。壓擺率通常被用來描述放大器的性能,它定義了訊號在放大器輸出端的轉換速率。它指的是放大器的最大壓擺率,對於上升斜率和下降斜率波形可能會不同。

放大器的頻寬通常受壓擺率性能的限制。全功率頻寬(FPBW),也稱為大訊號頻寬,定義為放大器在其最大輸出電壓擺幅下可產生的最高頻率。假設FPBW受放大器最大壓擺率的限制,那麼可以透過重組上述的算式來計算FPBW。

20190712TA31P3-2

應用

壓擺率是運算放大器的一個重要參數,尤其是在處理大輸出擺幅時。

可能聽說過電源與壓擺率相關,它描述電源的電壓或電流從一個設置值轉換為另一個值的速率。通常這與測試系統中的可程式設計電源有關,透過不同的測試條件來排序。電壓和電流壓擺率可以是測試激發的一部分。也就是說,由於某些電壓或電流在兩個特定值之間可以受控轉換,可以利用它來測試元件的性能。或者,利用壓擺率來抑制被測元件的浪湧電流。

可能還會見到壓擺率與電磁干擾(EMI)相關。具有尖銳邊緣的訊號易於輻射高頻成分,眾所周知,諸如數位邏輯元件和開關電源穩壓器這類快速開關電路會產生EMI。為了抑制EMI,一部分元件提供了壓擺率控制,允許設計人員選擇邊緣速率並控制輻射。有些情況下,也可以利用添加外部電路來降低邊緣速率,例如,電路設計人員可以在數位時脈電路中增加RC電路來降低壓擺率和輻射。

本文概述了壓擺率與上升時間的關係。它們的確有相似之處,但最關鍵的區別在於壓擺率描述了波形的實際變化率。

(參考原文: Slew rate and rise time: Not quite the same,by Bob Witte)