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Slew rate et bande passante pleine puissance de l'ampli op

Calcule la bande passante pleine puissance de l'ampli op et vérifie s'il peut traiter le signal sans distorsion de slew rate.

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Formule

FPBW = SR / (2π × V_peak)

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

Comment ça marche

La fréquence de balayage (SR) est la vitesse maximale à laquelle la tension de sortie d'un amplificateur opérationnel peut changer, exprimée en V/μs. Il est déterminé par le courant de charge disponible pour le condensateur de compensation à l'intérieur de l'amplificateur opérationnel. Lorsqu'un signal haute fréquence et de grande amplitude exige une variation de tension plus rapide que celle que l'amplificateur opérationnel peut fournir, la sortie devient une onde triangulaire au lieu d'une onde sinusoïdale, une distorsion non linéaire appelée limitation de vitesse de balayage. La bande passante pleine puissance (FPBW) est la fréquence la plus élevée à laquelle l'amplificateur opérationnel peut produire une sortie sinusoïdale de pleine amplitude sans distorsion : FPBW = SR/(2π × V_peak). La vitesse de balayage minimale requise pour traiter un signal de fréquence f et d'amplitude maximale V_p sans distorsion est SR_min = 2π × f × V_p (en V/μs, divisez par 10). Les amplificateurs opérationnels audio doivent gérer des signaux de 20 kHz ; à une sortie de ±10 V, SR_min = 2 π × 20 000 × 10/10 ≈ 1,26 V/μs.

Exemple Résolu

Amplificateur opérationnel : NE5532, SR = 9 V/μs. Signal : 20 kHz, crête de 5 V. Débit de balayage minimum requis : SR_min = 2 π × 20 000 × 5/10 = 0,628 V/μs Marge SR = 9 − 0,628 = 8,37 V/μs (adéquate) Bande passante à pleine puissance : FPBW = 9 × 106/(2 π × 5) = 286 479 Hz ≈ 286 kHz Le NE5532 peut gérer un signal de crête de 5 V jusqu'à 286 kHz sans limitation de balayage, bien au-delà de l'audio. Toutefois, en cas d'utilisation avec une alimentation de ±15 V (V_peak = 13,5 V à 90 % du rail) : SR_min pour 20 kHz = 2 π × 20 000 × 13,5/10 = 1,70 V/μs FPBW = 9 × 10¹/(2π × 13,5) = 106 kHz — toujours suffisant pour le son.

Conseils Pratiques

  • ✓Pour les circuits audio dotés de rails de ±15 V et d'un signal de 20 kHz, SR > 2 V/μs est le minimum absolu ; utilisez > 5 V/μs pour la marge. Le NE5532 (9 V/μs) et l'OPA2134 (20 V/μs) sont des choix audio populaires avec une marge de balayage adéquate.
  • ✓Les amplificateurs vidéo ou RF à haut débit (SR 100+ V/μS) ne sont pas toujours meilleurs en termes audio : ils peuvent être plus bruyants et plus sujets à l'instabilité lors des gains de fréquence audio en boucle fermée. Faites correspondre l'amplificateur opérationnel à la bande passante réellement nécessaire.
  • ✓La distorsion lente produit des sons puissants et bourdonnants, ce qui est nettement différent de la distorsion harmonique. Si un étage d'amplificateur opérationnel émet un son fort à des volumes élevés, mesurez la forme d'onde de sortie à 20 kHz sur un oscilloscope pour vérifier l'absence d'écrêtage triangulaire.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Confusion entre produit de gain de bande passante (GBW) et vitesse de balayage : le GBW s'applique à la bande passante à faible signal dans des conditions de boucle fermée. La vitesse de balayage est une limitation non linéaire à grand signal. Un amplificateur opérationnel GBW rapide peut toujours limiter le ralentissement d'un signal haute fréquence de grande amplitude.
  • ✗En oubliant de prendre en compte l'amplitude maximale réelle, l'exigence de vitesse de balayage varie directement en fonction de l'amplitude maximale. Un amplificateur opérationnel avec un FPBW de 100 kHz à ±10 V crête a un FPBW de seulement 50 kHz à ±20 V pic.
  • ✗Sélection d'un amplificateur opérationnel avec exactement SR = SR_min : appliquez toujours une marge de conception d'au moins 2 fois (6 dB), en particulier dans les applications audio où les harmoniques et les transitoires peuvent exiger des vitesses de balayage instantanées dépassant les exigences fondamentales.

Foire Aux Questions

SR_min = 2 π × 20 000 × 12/10 ≈ 1,51 V/μs. Avec une marge de sécurité multipliée par 2, cible ≥ 3 V/μs. La plupart des amplificateurs opérationnels audio modernes (NE5532 : 9 V/μs, TL072 : 13 V/μs) dépassent largement ce chiffre.
Oui Les amplificateurs opérationnels à tampon de sortie DAC doivent transmettre du son à 20 kHz après le filtre de reconstruction, mais le filtre de reconstruction lui-même peut produire des transitoires inférieurs à la microseconde à la fréquence de Nyquist (22,05 kHz pour 44,1 kHz audio). Choisissez des amplificateurs opérationnels à mémoire tampon avec un SR > 10 V/μs pour gérer correctement ces transitoires.
À des niveaux de signal qui s'approchent de la limite de vitesse de balayage mais ne l'atteignent pas, l'amplificateur opérationnel produit une « limitation douce de la vitesse de balayage », une forme de non-linéarité douce qui augmente le THD avant qu'un écrêtage évident de la forme d'onde ne soit visible. Pour maintenir le THD en dessous de 0,001 % à 20 kHz, concevez une SR au moins 3 à 5 fois supérieure à SR_min.

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