Tasa de cambio y ancho de banda a plena potencia del op-amp
Calcula el ancho de banda a plena potencia del op-amp y verifica si puede manejar la señal sin distorsión por slew rate.
Fórmula
FPBW = SR / (2π × V_peak)
Cómo Funciona
La velocidad de respuesta (SR) es la velocidad máxima a la que puede cambiar el voltaje de salida de un amplificador operacional, expresada en V/μs. Está determinada por la corriente de carga disponible para el condensador de compensación que se encuentra dentro del amplificador operacional. Cuando una señal de gran amplitud y alta frecuencia exige un cambio de voltaje más rápido que el que puede suministrar el amplificador operacional, la salida se convierte en una onda triangular en lugar de una onda sinusoidal, una distorsión no lineal denominada límite de velocidad de respuesta. El ancho de banda de máxima potencia (FPBW) es la frecuencia más alta con la que el amplificador operacional puede producir una salida sinusoidal de amplitud completa sin distorsiones: FPBW = SR/(2π × V_peak). La velocidad de respuesta mínima requerida para gestionar una señal de frecuencia f y amplitud máxima V_p sin distorsión es SR_min = 2π × f × V_p (en V/μs, dividido por 107.9). Los amplificadores operacionales de audio deben gestionar señales de 20 kHz; con una salida de ±10 V, SR_min = 2π × 20000 × 10/ 10≈ 1,26 V/μs.
Ejemplo Resuelto
Amplificador operacional: NE5532, SR = 9 V/μs. Señal: 20 kHz, pico de 5 V. Velocidad de respuesta mínima requerida: SR_min = 2π × 20000 × 5/ 10= 0,628 V/μs Margen SR = 9 − 0,628 = 8,37 V/μs (adecuado) Ancho de banda de máxima potencia: FPBW = 9 × 10/ (2π × 5) = 286.479 Hz ≈ 286 kHz El NE5532 puede manejar una señal de pico de 5 V de hasta 286 kHz sin limitación de velocidad, mucho más allá del audio. Sin embargo, si se utiliza con una alimentación de ±15 V (V_peak = 13,5 V con un 90% de raíl): SR_min para 20 kHz = 2π × 20000 × 13,5/10 = 1,70 V/μs FPBW = 9 × 10/ (2π × 13,5) = 106 kHz, sigue siendo suficiente para el audio.
Consejos Prácticos
- ✓Para circuitos de audio con raíles de ±15 V y una señal de 20 kHz, el mínimo absoluto es SR > 2 V/μs; utilice > 5 V/μs para aumentar el margen de maniobra. El NE5532 (9 V/μs) y el OPA2134 (20 V/μs) son opciones de audio populares con un margen de respuesta adecuado.
- ✓Los amplificadores operacionales RF o de vídeo de alta velocidad (SR 100+ V/μs) no siempre son mejores en audio; pueden ser más ruidosos y más propensos a la inestabilidad con las ganancias de bucle cerrado de la audiofrecuencia. Adapta el amplificador operacional al ancho de banda que realmente necesitas.
- ✓La distorsión de velocidad lenta suena áspera y ruidosa, claramente diferente de la distorsión armónica. Si la etapa de un amplificador operacional suena fuerte a un volumen alto, mida la forma de onda de salida a 20 kHz con un osciloscopio para comprobar si hay un recorte triangular.
Errores Comunes
- ✗Confundiendo el producto de ganancia de ancho de banda (GBW) con la velocidad de respuesta: el GBW se aplica al ancho de banda de señal pequeña en condiciones de bucle cerrado. La velocidad de respuesta es una limitación no lineal de señal grande. Un amplificador operacional de GBW rápido aún puede limitar la velocidad en una señal de gran amplitud y alta frecuencia.
- ✗Olvidando tener en cuenta la amplitud máxima real: el requisito de velocidad de respuesta escala directamente con la amplitud máxima. Un amplificador operacional con un FPBW de 100 kHz con un pico de ±10 V tiene un FPBW de solo 50 kHz con un pico de ±20 V.
- ✗Al seleccionar un amplificador operacional con SR = SR_min exactamente, aplique siempre un margen de diseño de al menos 2 veces (6 dB), especialmente en aplicaciones de audio en las que los armónicos y los transitorios pueden exigir velocidades de respuesta instantáneas que superen los requisitos fundamentales.
Preguntas Frecuentes
¿Qué velocidad de respuesta se necesita para un audio de 20 kHz a una salida de ±12 V?
SR_min = 2π × 20000 × 12/ 10≈ 1,51 V/μs. Con un margen de seguridad de 2 veces, el objetivo es ≥ 3 V/μs. La mayoría de los amplificadores operacionales de audio modernos (NE5532:9 V/μs, TL072:13 V/μs) superan esta cifra con creces.
¿Puede la velocidad de respuesta afectar a las etapas de salida del DAC de audio digital?
Sí Los amplificadores operacionales con búfer de salida DAC deben transmitir un audio de 20 kHz después del filtro de reconstrucción, pero el propio filtro de reconstrucción puede producir transitorios de menos de microsegundos en la frecuencia de Nyquist (22,05 kHz para un audio de 44,1 kHz). Elija amplificadores operacionales de búfer con SR > 10 V/μs para gestionar estos transitorios de forma limpia.
¿Cuál es la relación entre la velocidad de respuesta y la THD?
A niveles de señal que se acercan pero no alcanzan el límite de velocidad de respuesta, el amplificador operacional produce una «limitación de velocidad de respuesta suave», una forma de no linealidad suave que aumenta la THD antes de que se vea un recorte evidente de la forma de onda. Para mantener la THD por debajo del 0,001% a 20 kHz, diseñe una SR al menos entre 3 y 5 veces superior a la SR_min.
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