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Op-Amp Slew Rate und Vollleistungs-Bandbreite

Berechnet die Vollleistungs-Bandbreite des Op-Amps und prüft, ob er das Signal ohne Slew-Rate-Verzerrung verarbeiten kann.

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Formel

FPBW = SR / (2π × V_peak)

SR— Slew rate (V/μs)
V_peak— Peak output voltage (V)

Wie es funktioniert

Die Slew Rate (SR) ist die maximale Rate, mit der sich die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers ändern kann, ausgedrückt in V/μs. Sie wird durch den Ladestrom bestimmt, der dem Kompensationskondensator im Operationsverstärker zur Verfügung steht. Wenn ein hochfrequentes Signal mit großer Amplitude eine schnellere Spannungsänderung erfordert, als der Operationsverstärker liefern kann, wird der Ausgang zu einer Dreieckwelle statt einer Sinuswelle — eine nichtlineare Verzerrung, die als Slew-Rate-Limiting bezeichnet wird. Die volle Leistungsbandbreite (FPBW) ist die höchste Frequenz, bei der der Operationsverstärker einen unverzerrten sinusförmigen Ausgang mit voller Amplitude erzeugen kann: FPBW = SR/(2π × V_Peak). Die minimale Flankensteilheit, die erforderlich ist, um ein Signal mit der Frequenz f und der Spitzenamplitude V_p ohne Verzerrung zu verarbeiten, ist SR_min = 2π × f × V_p (in V/μs, dividiert durch 10⋅). Audio-Operationsverstärker müssen 20-kHz-Signale verarbeiten; bei ±10 V Ausgangsspannung ist SR_min = 2π × 20000 × 10/10⋅ ≈ 1,26 V/μs.

Bearbeitetes Beispiel

Operationsverstärker: NE5532, SR = 9 V/μs. Signal: 20 kHz, 5 V Spitze. Erforderliche Mindestdrehzahl: SR_min = 2π × 20000 × 5/10Ω = 0,628 V/μs SR-Marge = 9 − 0,628 = 8,37 V/μs (ausreichend) Bandbreite bei voller Leistung: FPBW = 9 × 10/ (2π × 5) = 286,479 Hz ≈ 286 kHz Der NE5532 kann ein 5-V-Spitzensignal bis zu 286 kHz ohne Slew-Begrenzung verarbeiten — weit über Audio hinaus. Bei Verwendung mit ±15 V Versorgungsspannung (V_Peak = 13,5 V bei 90% Schiene): SR_Min für 20 kHz = 2π × 20000 × 13,5/106b = 1,70 V/μs FPBW = 9 × 10/ (2π × 13,5) = 106 kHz — immer noch ausreichend für Audio.

Praktische Tipps

  • ✓Für Audiokreise mit ±15-V-Schienen und einem 20-kHz-Signal ist SR > 2 V/μs das absolute Minimum; verwenden Sie > 5 V/μs für Headroom. NE5532 (9 V/μs) und OPA2134 (20 V/μs) sind beliebte Audiogeräte mit ausreichendem Flankenspielraum.
  • ✓Hochgeschwindigkeits-Video- oder HF-Operationsverstärker (SR 100+ V/μs) sind nicht immer besser im Audio — sie können lauter sein und anfälliger für Instabilität bei der Verstärkung der Audiofrequenz im geschlossenen Regelkreis sein. Passen Sie den Operationsverstärker an die tatsächlich benötigte Bandbreite an.
  • ✓Slew-Rate-Verzerrungen klingen hart und lebhaft und unterscheiden sich deutlich von harmonischen Verzerrungen. Wenn eine Operationsverstärkerstufe bei hohen Lautstärken hart klingt, messen Sie die Ausgangswellenform bei 20 kHz mit einem Oszilloskop, um zu überprüfen, ob ein Dreiecksausschnitt vorliegt.

Häufige Fehler

  • ✗Verwechselt das Gain-Bandwidth Product (GBW) mit der Slew-Rate — GBW bezieht sich auf Kleinsignalbandbreiten unter Closed-Loop-Bedingungen. Die Anstiegsrate ist eine nichtlineare Begrenzung für große Signale. Ein schneller GBW-Operationsverstärker kann auch bei einem Hochfrequenzsignal mit großer Amplitude die Flankensteilheit einschränken.
  • ✗Vergessen wir, die tatsächliche Spitzenamplitude zu berücksichtigen — die Anforderung an die Anstiegsrate skaliert direkt mit der Spitzenamplitude. Ein Operationsverstärker mit einem FPBW von 100 kHz bei ±10 V Spitze hat einen FPBW von nur 50 kHz bei ±20 V Spitze.
  • ✗Wenn Sie einen Operationsverstärker mit exakt SR = SR_min wählen, sollten Sie immer einen Designabstand von mindestens 2× (6 dB) einhalten, insbesondere bei Audioanwendungen, bei denen Oberschwingungen und Transienten sofortige Flankenanstiegsraten erfordern können, die die Grundanforderungen überschreiten.

Häufig gestellte Fragen

SR_min = 2π × 20000 × 12/10Ω ≈ 1,51 V/μs. Bei einer Sicherheitsmarge von 2 × ist der Sollwert ≥ 3 V/μs. Die meisten modernen Audio-Operationsverstärker (NE5532:9 V/μs, TL072:13 V/μs) übertreffen diesen Wert deutlich.
Ja. DAC-Ausgangspuffer-Operationsverstärker müssen 20-kHz-Audio nach dem Rekonstruktionsfilter durchlassen, aber der Rekonstruktionsfilter selbst kann Transienten im Submikrosekundenbereich bei der Nyquist-Frequenz erzeugen (22,05 kHz für 44,1 kHz-Audio). Wählen Sie Puffer-Operationsverstärker mit einem SR > 10 V/μs, um diese Transienten sauber zu verarbeiten.
Bei Signalpegeln, die sich dem Grenzwert für die Flankensteilheit nähern, ihn aber nicht erreichen, erzeugt der Operationsverstärker eine „sanfte Flankenbegrenzung“ — eine Form sanfter Nichtlinearität, die den Klirrfaktor erhöht, bevor ein deutlicher Signalausschnitt sichtbar wird. Um den Klirrfaktor bei 20 kHz unter 0,001% zu halten, sollte der SR mindestens 3—5× über SR_min liegen.

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