Slew rate ของออปแอมป์: ทำไมไซน์ขนาดใหญ่ผิดรูปทั้งที่ความถี่ดูไม่สูง

ออปแอมป์อาจขยายไซน์ขนาดเล็กได้ดี แต่เมื่อเพิ่มแอมพลิจูดที่ความถี่เดิม เอาต์พุตกลับเริ่มมีช่วงลาดเกือบเป็นเส้นตรง สาเหตุหนึ่งคือวงจรเปลี่ยนแรงดันได้เร็วไม่ทันความชันที่สัญญาณต้องการ ข้อจำกัดนี้เรียกว่า slew rate และเกี่ยวข้องกับทั้งขนาดและความถี่ จึงไม่สามารถเลือกออปแอมป์จากแบนด์วิดท์เพียงค่าเดียวแล้วถือว่ารูปคลื่นทุกขนาดจะถูกต้อง

อัตราเปลี่ยนแรงดันไม่ใช่อัตราขยาย

Slew rate มีหน่วยโวลต์ต่อเวลา เช่น โวลต์ต่อไมโครวินาที บอกความเร็วเปลี่ยนเอาต์พุตในเงื่อนไขที่กำหนด ไม่ใช่จำนวนเท่าที่ขยายแรงดัน และไม่ใช่ความถี่โดยตรง การตอบสนองสัญญาณขนาดเล็กถูกอธิบายด้วยเกนและเฟสตามความถี่ ส่วนสัญญาณขนาดใหญ่สามารถทำให้กลไกภายในจำกัดกระแสชาร์จโหนดชดเชยจนความชันไม่เพิ่มตามคำสั่ง การเปลี่ยนรูปคลื่นจึงไม่ใช่แค่เกนลดลงอย่างเดียว

ขาขึ้นกับขาลงอาจมีอัตราไม่เท่ากัน และค่าที่ผู้ผลิตระบุอาจเป็นค่าทั่วไปภายใต้ไฟเลี้ยง เกน โหลด และขนาดขั้นแรงดันเฉพาะ ต้องอ่านเงื่อนไขเหล่านี้ก่อนนำไปคำนวณงานจริง การเอาค่าที่สูงที่สุดในกราฟมาใช้เป็นค่าต่ำสุดที่รับประกันตลอดอุณหภูมิทำให้ระยะเผื่อหายไป เช่นเดียวกับการดูความเร็วขาขึ้นเพียงด้านเดียวแล้วสรุปว่าคลื่นสองทิศทางจะเหมือนกัน

1. 1
   ระบุไซน์

   ใช้ Vกลาง บวก Vp sin(2πft) โดยไซน์สองโวลต์ยอดถึงยอดมี Vp หนึ่งโวลต์

2. 2
   หาอัตราเปลี่ยน

   อนุพันธ์เป็น 2πfVp cos(2πft) แรงดันตรงคงที่ไม่เพิ่มความชัน

3. 3
   จุดชันที่สุด

   ขนาดความชันสูงสุด 2πfVp เกิดตอนผ่านระดับกลาง ไม่ใช่ที่ยอดไซน์

4. 4
   ตรวจข้อจำกัดอื่น

   แม้ความชันผ่าน ยังต้องตรวจแบนด์วิดท์ ช่วงเอาต์พุต และกระแสโหลด

Vp คือจากระดับกลางถึงยอด และไม่รวมแรงดันตรงของระดับกลาง

ไซน์ต้องการความชันสูงสุดที่จุดผ่านระดับกลาง

ให้เอาต์พุตที่ต้องการเป็น Vกลาง + Vp sin(2πft) โดย Vp คือแอมพลิจูดจากระดับกลางถึงยอด ไม่ใช่ยอดถึงยอด อัตราเปลี่ยนแรงดันคือ 2πfVp cos(2πft) จึงมีขนาดสูงสุด 2πfVp ที่จุดผ่านระดับกลาง การบวกแรงดันตรงคงที่ไม่เปลี่ยนความชันนี้ แต่มีผลต่อพื้นที่เหลือจากรางไฟ หากไซน์มีสองโวลต์ยอดถึงยอด ค่า Vp ที่ใช้ในสูตรคือหนึ่งโวลต์ การใช้สองโวลต์จะทำให้คำนวณความต้องการสูงเกินสองเท่า

สถานการณ์สมมติ: ครึ่งโวลต์ต่อไมโครวินาทีไม่พอ

สมมติออปแอมป์สำหรับโจทย์มี slew rate ใช้งานได้ 0.5 โวลต์ต่อไมโครวินาทีทั้งสองทิศทาง และส่วนอื่นของวงจรมีแบนด์วิดท์เพียงพอ ต้องการไซน์หนึ่งร้อยกิโลเฮิรตซ์ แอมพลิจูดหนึ่งโวลต์ วางระดับกลางที่ 2.5 โวลต์บนไฟห้าโวลต์ ช่วงเอาต์พุตที่ต้องการจึงเป็น 1.5 ถึง 3.5 โวลต์ โดยยังต้องเลือกอุปกรณ์ที่รองรับช่วงนี้กับโหลดจริง ความชันที่ต้องการคือ 2π คูณหนึ่งแสนคูณหนึ่ง ประมาณ 628318.5 โวลต์ต่อวินาที หรือ 0.6283 โวลต์ต่อไมโครวินาที

ความชันที่ต้องการมากกว่า 0.5 จึงไม่ผ่านเงื่อนไขของโจทย์ แม้ช่วงแรงดันดูห่างจากราง เมื่อจัดสูตรหาความถี่ที่ขอบพอดีได้ f เท่ากับ SR / (2πVp) หรือประมาณ 79577.5 เฮิรตซ์ที่แอมพลิจูดหนึ่งโวลต์ ค่านี้มักใช้เป็นขอบเขตเชิงประมาณของ full power bandwidth ตามเกณฑ์ความชัน แต่การทำงานชิดขอบไม่ได้รับรองความเพี้ยนต่ำ งานที่มีข้อกำหนดความเพี้ยนต้องเผื่อและตรวจกราฟหรือผลวัดตามเกณฑ์นั้นอีกชั้น

1. 1
   ความต้องการเดิม

   หนึ่งร้อยกิโลเฮิรตซ์คูณหนึ่งโวลต์ยอดและ 2π ต้องการ 0.6283 โวลต์ต่อไมโครวินาที

2. 2
   ขอบเชิงความชัน

   0.5 หาร 2π และแอมพลิจูดหนึ่งโวลต์ ให้ขอบประมาณ 79.58 กิโลเฮิรตซ์หลังแปลงหน่วย

3. 3
   ลดแอมพลิจูด

   คงความถี่เดิมแต่ลด Vp เหลือ 0.5 โวลต์ ความชันเหลือ 0.3142 โวลต์ต่อไมโครวินาที

4. 4
   ตรวจความเพี้ยนต่อ

   ผ่านความชันไม่ได้รับรองความเพี้ยนต่ำ ต้องเผื่อจากขอบและวัดตามเกณฑ์งาน

โจทย์สมมติ SR เท่ากับ 0.5 โวลต์ต่อไมโครวินาทีทั้งสองด้าน

ลดขนาดและลดความถี่แก้คนละข้อกำหนดของงาน

หากคงหนึ่งร้อยกิโลเฮิรตซ์แต่ลด Vp เหลือครึ่งโวลต์ ความชันสูงสุดเหลือ 0.3142 โวลต์ต่อไมโครวินาที จึงผ่านข้อจำกัด slew rate สมมตินี้ และช่วงสัญญาณรอบ 2.5 โวลต์เหลือ 2.0 ถึง 3.0 โวลต์ อีกทางคือคง Vp หนึ่งโวลต์แต่ลดความถี่เหลือห้าสิบกิโลเฮิรตซ์ ก็ได้ความชัน 0.3142 เช่นกัน แต่สองวิธีไม่ได้ให้สัญญาณปลายทางเหมือนกัน ต้องเลือกตามว่างานยอมลดแอมพลิจูดหรือความถี่ได้หรือไม่

การเพิ่ม slew rate ของอุปกรณ์ช่วยได้เมื่อกลไกนี้เป็นตัวจำกัด แต่ไม่แก้ช่วงเอาต์พุตที่ชนรางหรือแบนด์วิดท์ที่ไม่พอโดยอัตโนมัติ นอกจากนี้เอาต์พุตที่ขับความจุต้องใช้กระแส C คูณอัตราเปลี่ยนแรงดัน เช่น ความจุสมมติสิบนาโนฟารัดที่ความชัน 0.5 โวลต์ต่อไมโครวินาทีเรียกกระแสห้ามิลลิแอมป์ ตัวเลขนี้เป็นเพียงกระแสเชิงความจุ ไม่ใช่คำรับรองว่าออปแอมป์จะเสถียรกับโหลดนั้น จึงต้องตรวจโหลดความจุแยกจากค่า slew rate

วิธีตรวจด้วยการเปลี่ยนขนาดสัญญาณอย่างเป็นระบบ

1. จัดวงจรสาธิตไฟต่ำให้สัญญาณและป้อนกลับอยู่ในช่วงใช้งานที่รับประกัน พร้อมโหลดที่ผู้ผลิตรองรับ
2. เริ่มไซน์ขนาดเล็กและความถี่ต่ำ ตรวจว่ารูปคลื่นต้นทางกับปลายทางไม่ถูกตัดด้วยช่วงแรงดัน
3. เพิ่มความถี่โดยวัดขนาดอินพุตจริง จากนั้นเปลี่ยนแอมพลิจูดที่ความถี่คงที่เพื่อแยกข้อจำกัดขนาดใหญ่
4. ตรวจความชันบริเวณผ่านระดับกลางของเอาต์พุต และเปรียบเทียบขาขึ้นขาลงโดยใช้ฐานเวลาที่อ่านได้ละเอียดพอ
5. ลดขนาดหรือความถี่แล้วดูว่าความผิดรูปหายตามแนวโน้มของผลคูณ fVp หรือไม่ ก่อนระบุสาเหตุ

ข้อผิดพลาดที่ทำให้รูปสามเหลี่ยมถูกตีความเร็วเกินไป

เอาต์พุตที่ดูคล้ายสามเหลี่ยมสนับสนุนสมมติฐาน slew rate ได้แต่ไม่พิสูจน์ลำพัง แหล่งกำเนิดเองอาจผิดรูป โหลดอาจทำให้กระแสจำกัด และเครื่องมืออาจมีแบนด์วิดท์หรืออัตราเก็บข้อมูลไม่พอ ต้องตรวจอินพุตและเงื่อนไขเหล่านี้ด้วย การวัดขอบขั้นแรงดันยังต้องแยกช่วงเริ่มตอบสนอง ช่วงที่ลาดเกือบคงที่ และช่วงเข้าใกล้ค่าปลาย ไม่เอาเวลาตั้งแต่สั่งจนทรงตัวทั้งหมดมาหารเป็น slew rate ค่าเดียว

สำหรับการเปลี่ยนแรงดันสองโวลต์ด้วยขีดจำกัด 0.5 โวลต์ต่อไมโครวินาที เวลาจากข้อจำกัดความชันอย่างเดียวไม่น้อยกว่าสี่ไมโครวินาที แต่ไม่ได้หมายความว่าจะตั้งตัวแม่นตามเกณฑ์ได้ในสี่ไมโครวินาที เพราะยังมีการตอบสนองช่วงปลายและการสั่นค้าง การแยก settling time ออกจากช่วง slew ช่วยไม่ให้ใช้ตัวเลขความเร็วผิดหน้าที่ในวงจรเก็บตัวอย่าง

ตรวจเลขและรายงานขอบเขตที่ยังไม่ได้รับรอง

ตรวจหน่วยโดยแปลง 0.5 โวลต์ต่อไมโครวินาทีเป็นห้าแสนโวลต์ต่อวินาทีก่อนหาร 2πVp จะได้ขอบประมาณ 79.58 กิโลเฮิรตซ์ตามเดิม เมื่อแอมพลิจูดลดครึ่งหนึ่ง ขอบความถี่จาก slew rate เพิ่มสองเท่าเป็นประมาณ 159.15 กิโลเฮิรตซ์ แต่ขอบแบนด์วิดท์สัญญาณขนาดเล็กของวงจรไม่ได้เพิ่มตามไปด้วย รายงานผลจึงควรระบุทั้งแอมพลิจูด ความถี่ โหลด ไฟเลี้ยง และเกณฑ์ความเพี้ยนที่ตรวจ ไม่สรุปว่าผ่านสูตรแล้วสัญญาณสมบูรณ์ทุกเงื่อนไข