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O que é a Taxa de Variação do Amplificador Operacional (slew rate): Detalhes; Fórmula

1 de março de 2023 0 Comentários Leitura: 8 min

A taxa de variação do amplificador operacional é fundamental para muitos projetos de circuitos eletrônicos: projetar para a taxa de variação garante que o projeto do circuito eletrônico acomode aumentos de saída rápidos e reduz a distorção.

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Tutorial de amplificador operacional inclui:

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A saída de um amplificador operacional só pode mudar uma certa quantidade em um determinado tempo. Esse limite é chamado de taxa de variação do amplificador operacional e, embora a taxa de variação nem sempre seja mencionada ao realizar um projeto de circuito eletrônico, pode ser um fator crítico para garantir que um amplificador seja capaz de fornecer uma saída que seja uma representação fiel da entrada..

A taxa de variação do amplificador operacional pode limitar o desempenho de um circuito se o requisito da taxa de variação for excedido. Ele pode distorcer a forma de onda e impedir que o sinal de entrada seja representado fielmente na saída se a taxa de variação for excedida.

Uma das figuras citadas nas folhas de dados para amplificadores operacionais é a taxa de variação, e isso precisa ser verificado e alguns cálculos feitos para garantir que o dispositivo de amplificador operacional específico possa lidar com a taxa de alteração de saída exigida dele.

Em certas aplicações em que a velocidade é necessária e a saída precisa mudar rapidamente, a taxa de variação do amplificador operacional pode ter um efeito significativo no desempenho geral do circuito eletrônico, e o projeto precisa acomodar isso.

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Sumário

NOÇÕES BÁSICAS DE TAXA DE VARIAÇÃO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL

A taxa de variação de um amplificador operacional ou de qualquer circuito amplificador é a taxa de mudança na tensão de saída causada por uma mudança na entrada.

É medido como uma mudança de tensão em um determinado tempo – normalmente V / µs ou V / ms.

Um dispositivo típico de uso geral pode ter uma taxa de variação de 10 V / microssegundo. Isso significa que quando uma grande mudança de etapa é colocada na entrada, o dispositivo eletrônico seria capaz de fornecer uma mudança de saída de 10 volts em um microssegundo.

Os valores de variação da taxa de variação dependem do tipo de amplificador operacional que está sendo usado. Amplificadores operacionais de baixa potência podem ter apenas valores de um volt por microssegundo, enquanto existem amplificadores operacionais rápidos capazes de fornecer taxas de 1000 V / µsegundo.

Efeito da taxa de variação do amplificador operacional

A taxa de variação é governada pelo próprio amplificador operacional e, como resultado, o desempenho da taxa de variação de todo o projeto do circuito eletrônico não é afetado pelo feedback aplicado.

As principais causas para as limitações da taxa de variação são causadas pela compensação de frequência interna incluída na maioria dos amplificadores operacionais para fornecer estabilidade, especialmente em altas frequências. Outro fator contribuinte são as pequenas correntes internas do drive, bem como quaisquer limitações no estágio de saída. Todos eles se combinam para limitar a taxa na qual a saída pode mudar de um nível para outro.

Os amplificadores operacionais podem ter diferentes taxas de variação para transições positivas e negativas devido à configuração do circuito. Eles têm uma saída complementar para puxar o sinal para cima e para baixo e isso significa que os dois lados do circuito não podem ser exatamente os mesmos. No entanto, muitas vezes assume-se que eles têm níveis de desempenho razoavelmente simétricos.

Existem ainda alguns amplificadores operacionais que não são compensados internamente e precisam de componentes eletrônicos externos para fornecer a compensação. Estes podem ser otimizados para fornecer o melhor equilíbrio entre estabilidade e taxa de variação.

RAZÃO DA TAXA DE VARIAÇÃO

Os problemas de taxa de variação surgem do circuito interno dentro do amplificador operacional. Existem várias razões para as limitações da maioria dos chips:

Compensação de frequência: Os capacitores usados no chip para reduzir a resposta de alta frequência têm um efeito marcante na taxa de variação. Limitar a resposta de frequência também limita a taxa de mudança que pode ocorrer na saída e, portanto, afeta a taxa de variação geral do amplificador operacional. No entanto, para garantir que os amplificadores operacionais permaneçam estáveis, os componentes de compensação de frequência são sempre incluídos, e o efeito resultante na taxa de variação também precisa ser acomodado no projeto geral do circuito.
Limitações do driver de saída: Dentro do chip, e particularmente dentro do driver de saída, os baixos níveis de corrente limitam a taxa na qual a mudança pode ocorrer. Isso limita a taxa de variação do amplificador operacional. Verifica-se que esta é a área do desempenho onde as taxas de variação de subida e descida podem ser diferentes.Isso resulta das diferentes maneiras pelas quais o chip aumenta e diminui a tensão de saída. Por exemplo, a saída pode empregar uma forma de estágio de saída complementar. As características ligeiramente diferentes de cada metade causarão uma pequena diferença entre as capacidades da taxa de variação de subida e descida.
Estágios de entrada de alto ganho: Os amplificadores operacionais usam estágios de entrada diferencial de alto ganho. O alto ganho e o fato de serem amplificadores de transcondutância onde uma entrada de tensão produz uma saída de corrente significa que existe a possibilidade de que os sinais possam saturar fazendo com que o amplificador atue como uma fonte de corrente constante. Quando isso acontece, a taxa de mudança de saída do amplificador é severamente limitada.

Pode-se ver que a taxa de variação tende a ser governada por fatores dentro do próprio chip do amplificador operacional. Assim, é necessário selecionar um chip para o projeto do circuito eletrônico que possa fornecer a taxa de variação necessária. O cálculo da taxa de variação necessária para um determinado cenário de circuito significa que quaisquer problemas podem ser resolvidos no estágio de projeto do circuito, em vez de descobrir um problema posteriormente.

DISTORÇÃO DA TAXA DE VARIAÇÃO

Se um amplificador operacional for operado acima de seu limite de taxa de variação, os sinais ficarão distorcidos. A maneira mais fácil de ver isso é olhar para o exemplo de uma onda senoidal.

A taxa máxima de mudança de tensão ocorre no ponto de cruzamento zero.

A taxa máxima de mudança da onda senoidal ocorre no ponto de cruzamento zero – este ponto é onde as limitações da taxa de variação são mais prováveis

É possível encontrar a frequência ou tensão máxima que pode ser acomodada. Uma onda senoidal com uma frequência de f Hertz e tensão de pico V volts requer um amplificador operacional com uma taxa de variação de 2 x Π xfx V volts por segundo. Isso é necessário para garantir que o requisito de taxa de variação máxima que ocorre no ponto de cruzamento zero possa ser atendido.

Distorção de giro do amplificador operacional (limite)

Como pode ser visto no diagrama, no limite, a distorção de giro do amplificador operacional resultará na criação de uma forma de onda triangular. Se a frequência for aumentada, o amplificador operacional será ainda menos capaz de acompanhar e, portanto, a amplitude da forma de onda de saída diminuirá.

A taxa de variação também pode não ser linear em toda a faixa. Como resultado, a forma de onda pode apresentar um aumento mais rápido na primeira parte da mudança, revertendo então para a taxa de variação mais esperada.

Observe também que a taxa de variação é normalmente especificada para um circuito que atua como um seguidor de tensão com ganho unitário e com uma entrada de degrau de oscilação total. Isso significa que há um grande acionamento diferencial e, como resultado, grandes quantidades de fluxo de corrente. Para configurações diferentes onde há uma pequena tensão de entrada e um ganho maior, a taxa de variação será muito menor.

CÁLCULO E FÓRMULA DA TAXA DE VARIAÇÃO

É relativamente fácil calcular a taxa de variação de um amplificador necessária para uma determinada aplicação ou projeto de circuito eletrônico a partir do conhecimento da tensão e frequência máximas necessárias.

Para dar operação livre de distorção, a taxa de variação do amplificador, a fórmula simples abaixo pode ser usada.

Onde
a taxa de variação é medida em volts/segundo, embora as medições reais sejam frequentemente dadas em v/µs
f = a frequência mais alta do sinal, Hz
V = a tensão máxima de pico do sinal.

Como exemplo, tome o cenário em que um amplificador operacional é necessário para amplificar um sinal com uma amplitude de pico de 5 volts a uma frequência de 25kHz. Seria necessário um amplificador operacional com uma taxa de variação de pelo menos 2 π x 25.000 x 5 = 0,785V/µs.

A taxa de variação do amplificador operacional pode não afetar alguns projetos de circuitos eletrônicos, mas para outros pode introduzir níveis significativos de distorção. Assim, é sempre melhor verificar se os limites da taxa de variação do chip não serão excedidos e optar por outro dispositivo se isso for provável para qualquer circuito eletrônico que está sendo projetado. Existem muitos dispositivos de alta taxa de variação no mercado e estes normalmente podem ser colocados no circuito no lugar de um dispositivo mais lento com pouca modificação no resto do circuito.

Ao abordar os problemas de taxa de variação do amplificador operacional nos estágios iniciais do conceito de projeto de circuito eletrônico, é possível garantir que não seja um problema nas condições do circuito que se espera encontrar.

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