運算放大器壓擺率測量系統設計

（南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350）

運算放大器（簡稱運放）在額定的滿幅度輸出條件下輸出電壓的最大轉換速率即壓擺率（slew rate），是運放的重要參數之一，也是衡量運放速度方面性能的重要指標[1-4]。運放輸出電壓的最大變化速率不能大于其壓擺率，否則輸出波形在過零時的斜率將受到壓擺率的限制而變成直線，輸入信號頻率再升高，則輸出幅度將變小；若輸入為正弦波則輸出變為三角波。由此可見，壓擺率決定了運放能夠不失真地滿幅度輸出信號的帶寬（大信號帶寬）。在此，從運放壓擺率的定義出發，以嵌入式處理器和可編程邏輯器件為核心控制單元，結合高速模數轉換器（ADC）成功地實現了μA741 運放壓擺率的測量。所研究的技術方案可為測量運放壓擺率的應用場景提供有益的參考。

1 系統整體方案設計

運放壓擺率的定義為

式中：Sr為壓擺率。根據式（1）的定義，可以采用正弦波法或方波法來測量壓擺率。正弦波法如下：根據式（1），當輸入信號為正弦波時，壓擺率為

式中：f為運放的大信號帶寬，表征運放能夠不失真地滿幅度輸出正弦波的最高頻率；Vopp為輸出信號的峰峰值。根據式（2），為了測量運放的壓擺率，可以將運放連接成電壓跟隨器的形式，輸入正弦波，改變輸入信號的頻率，觀察輸出波形的失真度。當發現失真度高于設定值時，記錄此刻輸出信號的頻率及峰峰值，結合式（2）即可得到壓擺率。

方波法的實現過程如下：同樣將運放連接成電壓跟隨器的形式。當輸入信號頻率較低時，輸出信號為與輸入信號峰峰值相同的方波，逐漸增加輸入信號的頻率，由于壓擺率的限制，輸出信號逐漸接近三角波，繼續增大輸入信號頻率，則輸出信號幅度開始衰減，記錄此刻輸出信號的頻率值fSR及峰峰值VSR。令

結合式（1），可得壓擺率為

綜合上述分析，正弦波法需產生掃頻正弦波，且需測量輸出波形的失真度，而方波法只需產生掃頻方波及測量輸出信號的峰峰值即可，其軟、硬件復雜度較正弦波法低，且易于實現。故在此采用方波法實現壓擺率的測量。該系統結構如圖1所示。

圖1 運算放大器壓擺率測量系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of slew rate measurement system of operational amplifier

2 系統設計實現

壓擺率測量系統的硬件結構主要包括嵌入式處理器、可編程邏輯器件、高速模數轉換模塊及電壓跟隨器等部分；軟件方面主要包括產生掃頻方波，測量電壓跟隨器輸出信號的峰峰值，計算壓擺率及顯示幅頻特性曲線等部分[5-7]。

2.1 系統硬件設計

2.1.1 核心控制單元

在此采用嵌入式處理器結合可編程邏輯器件作為核心控制單元，嵌入式處理器為STM32F767IGT6型（32 位Cortex-M7 ARM 內核），可編程邏輯器件為EP4CE10E22C8N 型（Cyclone IV 系列FPGA）[8]。嵌入式處理器的作用是實現整個測量系統的流程控制，其中包括控制可編程邏輯器件產生掃頻方波、接收可編程邏輯器件回傳的峰峰值信息，進而進行壓擺率計算，并利用液晶屏顯示測量結果及幅頻特性曲線等；可編程邏輯器件的作用是產生掃頻方波，并控制高速ADC 采樣電壓跟隨器的輸出，進而得到輸出信號的峰峰值。

2.1.2 模數轉換模塊

采用AN926模數轉換模塊，實現對電壓跟隨器輸出信號的測量。該模塊主要由高速ADC 及電壓衰減電路構成，其中ADC 采用亞德諾半導體（ADI）公司的AD9226[9-10]。該芯片為單通道ADC，12 位采樣精度，最高采樣率達65 MS/s。該模數轉換模塊的輸入電壓范圍為-5～5 V，可以很好地滿足該壓擺率測量系統的要求。

2.1.3 電壓跟隨器電路

將待測運放μA741 連接成電壓跟隨器的形式，其電路原理如圖2所示。

圖2 電壓跟隨器電路原理圖Fig.2 Schematic of voltage follower circuit

圖中，Vsq_FPGA為可編程邏輯器件輸出給電壓跟隨器的信號；電容C1，C2為正負電源的去耦電容；Vout_ADC為電壓跟隨器輸出給模數轉換模塊的信號。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 掃頻方波產生

可編程邏輯器件通過串口與嵌入式處理器進行通信，并根據接收到的指令產生對應頻率的方波。嵌入式處理器逐漸改變輸出方波的頻率值即可產生掃頻方波，并作為電壓跟隨器的輸入信號。

產生方波的具體實現過程如下：嵌入式處理器將PH13、PH14 復用為UART4 串口，并配置該串口的工作模式為9600 b/s 波特率、8 位數據位、1 位停止位、無奇偶校驗位。可編程邏輯器件端利用硬件描述語言編寫串口收、發的功能模塊，并令其工作模式與嵌入式處理器的UART4 串口完全一致，嵌入式處理器與可編程邏輯器件的串口引腳交叉互聯并共地，從而實現二者間的雙向通信。嵌入式處理器將要產生方波的頻率值通過串口發送給可編程邏輯器件，可編程邏輯器件對接收到的命令進行解析并產生相應的分頻系數，最終通過分頻器產生對應頻率的等占空比的方波。

可編程邏輯器件外接的有源晶振頻率為10 MHz，為了提高方波的頻率精度，利用可編程邏輯器件內置的模擬鎖相環產生200 MHz 的時鐘，作為分頻器的時鐘源，這樣就提高了輸出方波的頻率精度。

2.2.2 電壓跟隨器輸出信號峰峰值測量

利用可編程邏輯器件控制模數轉換模塊采集電壓跟隨器的輸出信號，根據輸出信號一個周期內的采樣值，計算得到其峰峰值，并通過串口傳送給嵌入式處理器。

峰峰值測量的具體實現過程如下：利用硬件描述語言編寫可編程邏輯器件的功能模塊，檢測電壓跟隨器輸入方波的上升沿，當上升沿到來時開始等待時間間隔的采集電壓跟隨器輸出信號的電壓值，直至下一個上升沿到來。由于電壓跟隨器的輸出信號和輸入信號同頻同相，即實現了對輸出信號的整周期采樣，可得輸出信號的峰峰值為

式中：Vopp為輸出信號的峰峰值；N為整周期的采樣次數；Vadi為第i次采樣值。在實際測量中，為了減小測量的隨機誤差，對掃頻方波每一個頻率對應的電壓跟隨器輸出信號的峰峰值都進行多次測量，然后對測量結果進行排序，取排序結果的中間部分的均值作為最終的峰峰值。

2.2.3 壓擺率計算及幅頻特性曲線顯示

嵌入式處理器控制可編程邏輯器件產生掃頻方波，然后通過串口接收可編程邏輯器件采集、計算得到的電壓跟隨器輸出信號的峰峰值。只需找到輸出信號峰峰值開始衰減時對應的輸出信號的頻率值fSR及峰峰值VSR，結合式（3）即可得到壓擺率。然而，在實際測量中由于電源擾動等因素，電壓跟隨器輸出信號的峰峰值經常會有一些小的波動，因而不利于fSR及VSR的判斷，故改進判斷機制：記錄電壓跟隨器在輸入低頻方波時，輸出信號的峰峰值為Vopp，L；根據運放的特性輸入信號在一定頻率范圍內，電壓跟隨器輸出信號的峰峰值均約等于Vopp，L。然后，增大輸入信號的頻率，輸出信號的峰峰值開始逐漸衰減，記錄輸出信號峰峰值衰減至0.9Vopp，L時所對應的輸出信號的頻率值f09SR，令

結合式（1），可得壓擺率為

式中：V09SR為輸入信號頻率值為f09SR時對應輸出信號的峰峰值。

嵌入式處理器分別將當前掃頻方波的頻率值及電壓跟隨器輸出信號的峰峰值作為橫、縱坐標，并根據液晶屏的顯示區域進行坐標變換，先繪制出坐標點，再利用折線逐個連接各個坐標點即可得到電壓跟隨器電路的幅頻特性曲線。另外，根據VSR的定義，Vopp，L與VSR實際為同一個值，由式（3）（5）可得fSR=0.9 f09SR，并在幅頻特性曲線中標記出fSR。

3 系統測試

利用直流穩壓電源（SS2323 型）和示波器（DSO-X 2012A 型）來搭建壓擺率測量系統的測試環境。利用直流穩壓電源輸出±10 V為系統供電，示波器通道1測量掃頻方波即電壓跟隨器的輸入信號，通道2 測量電壓跟隨器的輸出。設置掃頻方波頻率范圍為（1～100）kHz，每次步進1 kHz，對電壓跟隨器輸出信號的采樣率為50 MS/s，對掃頻方波的每一個頻率所對應電壓跟隨器輸出信號的峰峰值都進行100次測量，然后對測量結果進行排序，并用數組寄存排序結果，取數組中間60個元素的均值作為最終的峰峰值。被測運放為μA741 型，實測fSR=66 kHz，f09SR=74 kHz。在上述頻率下，掃頻方波及電壓跟隨器輸出信號波形的示波器測量結果如圖3所示。

圖3 電壓跟隨器輸入輸出信號示波器測量結果Fig.3 Measurement results of voltage follower input and output signal

f09SR，V09SR及壓擺率的實測結果見表1，壓擺率測量系統實物及LCD的顯示界面如圖4所示。

表1 測量結果數據Tab.1 Data of measurement results

根據μA741 芯片器件手冊提供的參數，該運放在單位增益下壓擺率的典型值為0.5 V/μs，由表1的測量數據對比可知，該系統對μA741 壓擺率的測量值與理論值及示波器測量值間的偏差分別為0.038 V/μs 和0.003 V/μs。

圖4 壓擺率測量系統實物Fig.4 Physical object of slew rate measurement system

4 結語

所設計的運算放大器壓擺率測量系統，實現了對μA741 通用型運放壓擺率的測量。對于高壓擺率的運放，可以考慮擴大掃頻方波的頻率范圍，并采用更高速的ADC 來實現其壓擺率的測量。此外本文所研究的方波法壓擺率測量方案可為測量運放壓擺率的研究提供有益的參考。