放大器壓擺率詳解與應用

Piintech品致

一、壓擺率的含義

壓擺率，也稱為轉換速率，是放大器輸出電壓在單位時間內所能變化的較大速率，單位為V/μs。當輸入一個大幅值的高頻信號時，如果信號變化的理論速度超過了運放的壓擺率，輸出波形就會失真。正弦波會變成三角波，方波會變成梯形波。

計算公式：對于正弦波，要避免壓擺率失真，需要滿足：壓擺率 SR ≥ 2πfVp對于方波，壓擺率應滿足SR ≥ ΔV / Δt，其中ΔV是電壓變化量，Δt是上升或下降時間。

二、如何選擇適合的壓擺率的放大器

選擇壓擺率的重要原則是：確保運放的壓擺率高于應用中信號可能出現的較大電壓變化速率。

1、確定Vp和f_max（或t_r上升時間）；

2、計算 SR_min ；

3、除了壓擺率，還需確認放大器的增益帶寬積是否滿足信號頻率要求，避免小信號時因帶寬不足導致失真；

4、檢查其他參數，如輸出電壓和電流范圍、負載上限等。舉例：假設需要生成一個0V到200V的脈沖，并要求上升時間t_r 小于 1μs。SR_min≥200 V / 1 × 10^-6 s = 200 V/μs在這種情況下，需要一個壓擺率高于 200 V/μs的放大器。為了確保達到要求，通常會選擇比計算值高20%-50%的型號。

此外，還需復核放大器的增益帶寬積是否滿足小信號頻率要求。

三、如何測量檢驗

1、將高壓放大器設置為所需的增益（例如20倍）。將其輸入端連接到信號發生器的方波輸出。將放大器的輸出端連接到示波器的一個通道，并且應使用高帶寬示波器和探頭，避免測量系統本身引入的誤差。

2、施加一個大幅值方波信號輸入，輸出方波幅度應接近放大器較大允許值。（例如若較大輸出為170Vpp，則測試幅值應達到160Vpp以上），輸入頻率不宜過高，通常1kHz-10kHz范圍內。

3、測量與計算

在示波器上捕獲輸出的方波波形。使用示波器的光標功能，測量輸出電壓變化速度較快的一段所經歷的時間 Δt，一般較大變化速率發生在過零點，測量這期間電壓的變化量ΔV。

例如在下面168Vpp的方波截取中間一段，測得11.5/4.04ns≈2.8kV/us。

四、應用

在實際應用時會發現，有時高壓放大器連接容性負載時，壓擺率會產生變化，其根本原因在于電流限制。若負載所需電流大于放大器的較大輸出電流，那么會導致輸出波形失真、產生震蕩等情況。

連接容性負載不會改變放大器本身的理論壓擺率，但會嚴重限制其實際能達到的輸出壓擺率。較終的實際輸出壓擺率由放大器的輸出電流能力和容性負載的大小共同決定。驅動容性負載公式：Ip= C * dV/dt = C_load * SR。

如果根據公式計算出負載所需電流小于放大器的較大輸出電流，那么放大器可以正常工作，實際壓擺率等于其理論壓擺率。但是，如果容性負載 C_load很大，或者理論壓擺率SR很高，導致 C_load * SR理論>Imax。此時，輸出電流被鉗位在Imax。當電流被限制后，實際能達到的輸出壓擺率就變成了：SR實際=Imax/C_load。

舉例：品致HA-4001其壓擺率為40V/us，輸出較大交流峰值電流=1.4Ap，驅動10nf時，根據公式I=CSR=10nF40V/µs=0.4A即驅動容性負載所需較小電流為0.4Ap，遠小于1.4Ap，故驅動實際壓擺率為40V/us。

因此，在驅動大容性負載時，不僅要看壓擺率，更要關注其輸出電流能力，選擇輸出電流適合的放大器。