放大器压摆率详解与应用

一、压摆率的含义压摆率，也称为转换速率，是放大器输出电压在单位时间内所能变化的较大速率，单位为V/μs。当输入一个大幅值的高频信号时，如果信号变化的理论速度超过了运放的压摆率，输出波形就会失真。正弦波会变成三角波，方波会变成梯形波。计算公式：对于正弦波，要避免压摆率失真，需要满足：压摆率 SR ≥ 2πfVp对于方波，压摆率应满足SR ≥ ΔV / Δt，其中ΔV是电压变化量，Δt是上升或下降时间。二、如何选择适合的压摆率的放大器选择压摆率的重要原则是：确保运放的压摆率高于应用中信号可能出现的较大电压变化速率。1、确定Vp和f_max（或t_r上升时间）；2、计算 SR_min ；3、除了压摆率，还需确认放大器的增益带宽积是否满足信号频率要求，避免小信号时因带宽不足导致失真；4、检查其他参数，如输出电压和电流范围、负载上限等。举例：假设需要生成一个0V到200V的脉冲，并要求上升时间t_r 小于 1μs。SR_min≥200 V / 1 × 10^-6 s = 200 V/μs在这种情况下，需要一个压摆率高于 200 V/μs的放大器。为了确保达到要求，通常会选择比计算值高20%-50%的型号。此外，还需复核放大器的增益带宽积是否满足小信号频率要求。三、如何测量检验
1、将高压放大器设置为所需的增益（例如20倍）。将其输入端连接到信号发生器的方波输出。将放大器的输出端连接到示波器的一个通道，并且应使用高带宽示波器和探头，避免测量系统本身引入的误差。2、施加一个大幅值方波信号输入，输出方波幅度应接近放大器较大允许值。（例如若较大输出为170Vpp，则测试幅值应达到160Vpp以上），输入频率不宜过高，通常1kHz-10kHz范围内。3、测量与计算在示波器上捕获输出的方波波形。使用示波器的光标功能，测量输出电压变化速度较快的一段所经历的时间 Δt，一般较大变化速率发生在过零点，测量这期间电压的变化量ΔV。例如在下面168Vpp的方波截取中间一段，测得11.5/4.04ns≈2.8kV/us。
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https://28430318.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAggqeLyAYooKOJvAEwoAY42AQ.png四、应用在实际应用时会发现，有时高压放大器连接容性负载时，压摆率会产生变化，其根本原因在于电流限制。若负载所需电流大于放大器的较大输出电流，那么会导致输出波形失真、产生震荡等情况。连接容性负载不会改变放大器本身的理论压摆率，但会严重限制其实际能达到的输出压摆率。较终的实际输出压摆率由放大器的输出电流能力和容性负载的大小共同决定。驱动容性负载公式：Ip= C * dV/dt = C_load * SR。如果根据公式计算出负载所需电流小于放大器的较大输出电流，那么放大器可以正常工作，实际压摆率等于其理论压摆率。但是，如果容性负载 C_load很大，或者理论压摆率SR很高，导致 C_load * SR理论>Imax。此时，输出电流被钳位在Imax。当电流被限制后，实际能达到的输出压摆率就变成了：SR实际=Imax/C_load。举例：品致HA-4001其压摆率为40V/us，输出较大交流峰值电流=1.4Ap，驱动10nf时，根据公式I=CSR=10nF40V/µs=0.4A即驱动容性负载所需较小电流为0.4Ap，远小于1.4Ap，故驱动实际压摆率为40V/us。
因此，在驱动大容性负载时，不仅要看压摆率，更要关注其输出电流能力，选择输出电流适合的放大器。