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Slew rate e largura de banda de plena potência do amp-op

Calcula a largura de banda de plena potência do amp-op e verifica se ele pode processar o sinal sem distorção de slew rate.

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Fórmula

FPBW = SR / (2π × V_peak)

SRSlew rate (V/μs)
V_peakPeak output voltage (V)

Como Funciona

A taxa de variação (SR) é a taxa máxima na qual a tensão de saída de um amplificador operacional pode mudar, expressa em V/μs. É determinado pela corrente de carga disponível para o capacitor de compensação dentro do amplificador operacional. Quando um sinal de grande amplitude e alta frequência exige uma mudança de tensão mais rápida do que o amplificador operacional pode fornecer, a saída se torna uma onda triangular em vez de uma onda senoidal — uma distorção não linear chamada limitação de taxa de variação. A largura de banda de potência total (FPBW) é a frequência mais alta na qual o amplificador operacional pode produzir uma saída senoidal de amplitude total sem distorção: FPBW = SR/(2π × V_peak). A taxa de variação mínima necessária para lidar com um sinal de frequência f e amplitude de pico V_p sem distorção é SR_min = 2π × f × V_p (em V/μs, divida por 10․). Os amplificadores operacionais de áudio devem lidar com sinais de 20 kHz; na saída de ±10 V, SR_min = 2π × 20000 × 10/10․ ≈ 1,26 V/μs.

Exemplo Resolvido

Amplificador operacional: NE5532, SR = 9 V/μs. Sinal: 20 kHz, pico de 5 V.
Taxa mínima de rotação exigida:
SR_min = 2π × 20000 × 5/10․ = 0,628 V/μs
Margem SR = 9 − 0,628 = 8,37 V/μs (adequada)
Largura de banda de potência total:
FPBW = 9 × 10․/(2π × 5) = 286.479 Hz ≈ 286 kHz
O NE5532 pode lidar com um sinal de pico de 5 V de até 286 kHz sem limitação, muito além do áudio. No entanto, se usado com alimentação de ±15 V (V_peak = 13,5 V a 90% de trilho):
SR_min para 20 kHz = 2π × 20000 × 13,5/10․ = 1,70 V/μs
FPBW = 9 × 10․/(2π × 13,5) = 106 kHz — ainda suficiente para áudio.

Dicas Práticas

  • Para circuitos de áudio com trilhos de ±15 V e sinal de 20 kHz, SR > 2 V/μs é o mínimo absoluto; use > 5 V/μs para espaço livre. O NE5532 (9 V/μs) e o OPA2134 (20 V/μs) são opções de áudio populares com margem de variação adequada.
  • Os amplificadores operacionais de vídeo ou RF de alta velocidade (SR 100+ V/μs) nem sempre são melhores em áudio — eles podem ser mais ruidosos e mais propensos à instabilidade com ganhos de circuito fechado de frequência de áudio. Combine o amplificador operacional com a largura de banda realmente necessária.
  • A distorção de taxa de variação soa forte e vibrante, nitidamente diferente da distorção harmônica. Se um estágio de amplificador operacional parecer severo em volumes altos, meça a forma de onda de saída em 20 kHz em uma luneta para verificar se há recortes triangulares.

Erros Comuns

  • Produto confuso de ganho de largura de banda (GBW) com taxa de variação — o GBW se aplica à largura de banda de pequeno sinal em condições de circuito fechado. A taxa de variação é uma limitação não linear de grande sinal. Um amplificador operacional GBW rápido ainda pode limitar a variação de um sinal de alta frequência e grande amplitude.
  • Esquecendo de considerar a amplitude real do pico — o requisito de taxa de variação varia diretamente com a amplitude do pico. Um amplificador operacional com FPBW de 100 kHz a um pico de ± 10 V tem um FPBW de apenas 50 kHz a um pico de ± 20 V.
  • Selecionar um amplificador operacional com exatamente SR = SR_min — sempre aplique uma margem de projeto de pelo menos 2 × (6 dB), especialmente em aplicações de áudio em que harmônicos e transientes podem exigir taxas de variação instantâneas que excedam os requisitos fundamentais.

Perguntas Frequentes

SR_min = 2π × 20000 × 12/10․ ≈ 1,51 V/μs. Com uma margem de segurança de 2 ×, meta ≥ 3 V/μs. A maioria dos amplificadores operacionais de áudio modernos (NE5532:9 V/μs, TL072:13 V/μs) excede isso confortavelmente.
Sim Os amplificadores operacionais do buffer de saída DAC devem passar áudio de 20 kHz após o filtro de reconstrução, mas o próprio filtro de reconstrução pode produzir transientes de submicrossegundos na frequência de Nyquist (22,05 kHz para áudio de 44,1 kHz). Escolha amplificadores operacionais de buffer com SR > 10 V/μs para lidar com esses transientes de forma limpa.
Em níveis de sinal que se aproximam, mas não atingem o limite da taxa de variação, o amplificador operacional produz uma “limitação suave da taxa de variação” — uma forma de não linearidade suave que aumenta o THD antes que o recorte óbvio da forma de onda seja visível. Para manter o THD abaixo de 0,001% a 20 kHz, projete para SR pelo menos 3—5 × acima de SR_min.

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