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压摆率和上升时间:不尽相同

时间:2019-07-15 作者:Bob Witte 阅读:
关于上升时间的讨论通常会引出一个问题:上升时间与压摆率是一回事吗?虽然上升时间和压摆率有相似之处,但它们是不同的,其关键差别在于,上升时间无关乎绝对的电压水平,仅表示波形变化所需的时间,而压摆率则描述波形的实际变化率。

在之前那篇《信号带宽是什么?》的文章中,我们了解了上升时间和带宽之间的关系。关于上升时间的讨论通常会引出一个问题:上升时间与压摆率是一回事吗?

我们先来看一下压摆率,压摆率的概念与上升时间类似,但有一些重要区别。如图1所示,阶跃响应的上升时间被定义为波形从终值的10%变为90%所需的时间。(有时上升时间被定义为20/80%。)请注意,上升时间通过波形大小的百分比来定义,与所涉及的电压无关。例如图1中的波形具有大约3μs的上升时间。

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图1:阶跃响应的上升时间是从终值的10%变为90%所需的时间。

压摆率定义为波形的变化率,与斜率相同。它可以通过算式ΔV/Δt得出,如图2所示。

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图2:压摆率是波形的斜率,计算式为ΔV/Δt。

图2显示了10%和90%两个点之间的ΔV/Δt,实际上这个计算可以在波形的任何位置进行,因为我们只是在寻找斜率。注意,压摆率以V/s(或更常见的V/μs)为单位,实际上也表明了它是用来衡量每单位时间电压的变化率。

从图2中,我们可以计算出压摆率:

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现在我们来设想一下图2中的阶跃响应增大10倍的情况,从0V变为10V,而上升时间仍然是3μs。则压摆率计算如下:

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果然,当上升时间相同时,压摆率会增大10倍,因为电压的变化速度快很多。这突出了上升时间和压摆率之间的关键差异:上升时间无关乎绝对的电压水平,仅表示波形变化所需的时间,而压摆率则描述电压的变化率。

正弦波示例

对于输入为正弦波的情况(如图3所示),我们可以进行一些基本的微积分计算得到压摆率。

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压摆率(SR)是波形的斜率或导数。

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当余弦函数达到其最大值1时,压摆率也最大。同样,当余弦函数达到最小值-1时,压摆率也最大只是符号相反。图3还显示出最大压摆率点出现在正弦波的过零点处。

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毫不奇怪,最大压摆率与波形频率及其幅度成正比。波形越大转换速率越快。波形频率越高转换速率也越快。

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图3:正弦波在过零点处具有最大压摆率。

放大器规格

到目前为止,我们一直在讨论电压波形的压摆率,描述电压变化的速率。压摆率通常被用来描述放大器的性能,它定义了信号在放大器输出端的转换速率。它指的是放大器的最大压摆率,对于上升斜率和下降斜率波形可能会不同。

放大器的带宽通常受压摆率性能的限制。全功率带宽(FPBW),也称为大信号带宽,定义为放大器在其最大输出电压摆幅下可产生的最高频率。假设FPBW受放大器最大压摆率的限制,那么可以通过重组上述的算式来计算FPBW:

DI6-E6-201907.png

应用

压摆率是运算放大器的一个重要参数,尤其是在处理大输出摆幅时。

您可能听说过电源与压摆率相关,它描述电源的电压或电流从一个设置值转换为另一个值的速率。通常这与测试系统中的可编程电源有关,通过不同的测试条件来排序。电压和电流压摆率可以是测试激励的一部分。也就是说,由于某些电压或电流在两个特定值之间可以受控转换,我们可以利用它来测试器件的性能。或者,利用压摆率来抑制被测器件的浪涌电流。

您可能还会见到压摆率与电磁干扰(EMI)相关。具有尖锐边缘的信号易于辐射高频成分,众所周知,诸如数字逻辑器件和开关电源稳压器这类快速开关电路会产生电磁干扰。为了抑制EMI,一部分器件提供了压摆率控制,允许设计人员选择边缘速率并控制辐射。有些情况下,也可以通过添加外部电路来降低边缘速率,例如,电路设计人员可以在数字时钟电路中增加RC电路来降低压摆率和辐射。

本文概述了压摆率与上升时间的关系。它们的确有相似之处,但最关键的区别在于压摆率描述了波形的实际变化率。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Slew rate and rise time: Not quite the same。)

本文为《电子技术设计》2019年7月刊杂志文章。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bob Witte
Bob Witte在Keysight Technologies、Agilent Technologies和Hewlett-Packard Company的研发、技术规划、战略规划和制造部门担任过多个职位,目前是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。 从内心深处,他只不过是一名乐于看到用创新产品来解决真正的客户问题的一名工程师。Bob写了两本关于测试和测量仪器的书:《电子测试仪器》和《频谱和网络测量》。
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