Slew Rate o Velocidad de Crecimiento

Slew Rate
• En un amplificador realimentado compensado por
polo dominante con una señal escalón se espera una
respuesta del tipo:
Ancho de banda  0,35 /  r
• Debido al efecto Slew rate se obtiene:
Descripción del problema en un amplificador típico
vi
vC 
I
t  vPOL
C
t
vx
t
vi
T1
ve
T2
vo
f
t
vf
a
vf
Avi
vo
ve
t
vo a
t
zona alineal
Comparación de la respuesta al escalón para pequeña y gran señal
VSAL

V SAL1
Pendiente = SR

2
V SAL2
1
τr
•
•
t
La respuesta al escalón 1 es reproducida a la salida según el ancho de banda para pequeñas señales y se
establece en un tiempo τr (tiempo de crecimiento) pues la velocidad de crecimiento requerida es menor a la
velocidad de crecimiento máxima posible en el amplificador, SR (slew rate)
La respuesta al escalón 2 no puede reproducirse correctamente y es limitada por el SR (slew rate)
Efecto del SR en la reproducción de señales sinusoidales
VSAL
Pendiente = SR
Máxima amplitud de salida
2
1
Pendiente < SR
t
Máxima amplitud de salida
•
•
La señal de salida 1 se reproduce correctamente dado que su
máxima pendiente es menor al SR
La señal de salida 2 se reproduce incorrectamente pues al tener
mayor amplitud su velocidad de crecimiento supera a la
velocidad de crecimiento del amplificador
Efecto del SR en la reproducción de señales sinusoidales
VSAL
Máxima amplitud de salida
Pendiente = SR
2
1
3
Pendiente < SR
t
Máxima amplitud de salida
•
•
La señal de salida 1 y 2 tienen la misma pendiente, coincidente
con SR. Para la frecuencia de la señal 1 no es posible una
amplitud mayor sin deformación por SR
Solo las señales con frecuencias iguales o menores a la 2 pueden
reproducirse con la máxima excursión de señal sin distorsión por
SR, como por ejemplo la señal 3
Ancho de banda de potencia
El Slew rate determina la máxima frecuencia de una señal
sinusoidal que el amplificador puede reproducir a máxima
excursión sin distorsión

vt   V sent 

dvt 
 V
dt

SR   V
t 

t 
 V
t 0

SR   V
Amplitudes máximas de salida para señales senoidales
VSAL
Gráfica del “ancho de banda de potencia” o “Power Bandwith”

V MAX
f
SR

f
2π V MAX
•
Las amplitudes máximas de la tensión de salida en función de la frecuencia están
limitadas por la máxima excursión posible del amplificador para una dada
tensión de alimentación y por la máxima velocidad de subida o SR (slew rate)
Ejercicio 3:
2) Determinar si se produce limitación por slew-rate:
Señal de entrada
•vin(t) = 10V sen(2p.8kHz.t)
Datos del amplificador
•Avol=1000
•fp1=20Hz
•SR=2V/mseg
Ejemplo:
Mejorar el Slew rate de un amplificador
•
Un amplificador está compensado por polo
dominante mediante la técnica de separación
de polos por efecto Miller
•
Se pretende mejorar el Slew Rate reduciendo
el capacitor de compensación
Cálculo del Slew Rate del amplificador:
I 6
SR  10
C
•
SR  V/μ s
I  A
C  F
La fuente de corriente del par diferencial es 2mA
con lo que para el amplificador estudiado es:
2mA 6
SR 
10  20V/μ s
100pF
•
Se obtiene por simulación:
SR  17V/μ s
•
•
La diferencia se debe a la presencia de otras
capacidades
Simulando para otros valores de C se obtiene:
SR  9V / mS para C  200 pF
SR  30V / mS para C  50 pF
•
Con lo que puede deducirse que la fuente de
corriente carga una capacidad adicional
propia del circuito de aprox.:
CPARASITO  15 pF
•
Se elige C = 50 pF
•
Se calcula ahora la máxima frecuencia para la
cual el amplificador es capaz de desarrollar la
máxima amplitud de salida (21V) sin deformar:
f 
SR

2p V
•
30V / mS

 200KHz
2p  21V
A continuación se recalcula la compensación del
amplificador combinando polo dominante y
adelanto de fase:
Respuesta en frecuencia
(compensado por polo dominante solamente)
Respuesta en frecuencia
(compensado por polo dominante y adelanto de fase)
Módulo y fase de T(jω)
(compensado por polo dominante solamente)
Módulo y fase de T(jω)
(compensado por polo dominante y adelanto de fase)
Slew rate = 17V/µS
compensado por polo dominante solamente
Slew rate = 30V/µS
compensado por polo dominante y adelanto de fase
Respuesta para pequeña señal con C = 100pF por polo dominante solamente
(tensión pico a pico del generador = 20mV)
Tiempo de crecimiento = 90ns
Respuesta para pequeña señal con C = 50pF y CREALIMENTADOR = 1pF
(tensión pico a pico del generador = 20mV)
Tiempo de crecimiento = 70ns
Conclusión importante del resultado obtenido
en el análisis por simulación
•
•
•
Se pudo reducir la capacidad requerida para la
compensación por polo dominante gracias al agregado de
otra capacidad en la red de realimentación de solo 1 pF.
Notar que este valor es muy pequeño y puede encontrarse
normalmente entre las pistas del circuito impreso donde se
montan los componentes del amplificador, por lo que debe
extremarse el cuidado en el diseño del mismo.
Se sugiere utilizar resistores de gran tamaño (mayores al
determinado por el estudio de potencias) en los
componentes que afectan a las señales de las entradas + y - .
Igualmente se debe considerar la calidad de los capacitores
empleados en el realimentador y en la entrada.
Medición de la
ganancia de lazo
(Notar que se obtiene –T)
Medición del
Slew Rate
(Notar que se eliminan los
capacitores de las entradas)