Slew Rate Nedir?

Bir op-amp’ın çıkış işaretinin ne kadar hızlı değişebildiğini belirten orana slew rate denir. Slew rate, op-amp’ın optimum çalışma genliğini ve maksimum giriş frekansını belirlememizde bize yardımcı olur. Detaylar yazımızın devamında.

A- A+

21.04.2022 tarihli yazı 7606 kez okunmuştur.

Elektronikte ve op-amp’larda karşımıza çıkan slew rate, birim zaman başına maksimum çıkış gerilimi değişimi oranı olarak tanımlanır. S harfi ile gösterilir. Birimi V/µs’dir. Slew rate, op-amp’ın çıkışını bozmayacak şekilde uygun olan genliği ve maksimum giriş frekansını belirlememizi sağlar. Bu, slew rate’in en önemli görevidir. Bir başka deyişle slew rate, çıkış işaretinin ne kadar hızlı değişebildiğini gösterir.

Slew rate, temel olarak aşağıdaki denklem ile hesaplanabilir. Burada V₀, zamanın bir fonksiyonu olarak amplifikatör tarafından üretilen çıktıdır.

Slew rate’i basit bir denklem ile ifade edecek olursak, aşağıdaki gibi ifade edebiliriz.

S = 2 π f V

Slew Rate Devre Şeması

Bir op-amp’ın slew rate’i girişe bir basamak sinyali uygulayarak basitçe ölçebiliriz. Genellikle uygulanan basamak sinyalinin değeri 1 V’dir. Slew rate, çıkış sinyalinin %10’u ile %90’ arasında çıkışta meydana gelen değişim hızı ölçülmesi sonucu belirlenir. Bu ölçüm osiloskop ve fonksiyon üretici kullanılarak yapılır.

Şekil 1: Slew Rate Devre Şeması

►İlginizi Çekebilir: İşlemsel Yükselteçlerin İç Yapısına Yolculuk

Giriş sinyalinin slew rate sonucu sınırlanmasını ise aşağıdaki örnekte inceleyebiliriz.

Şekil 2: Giriş ve Slew Sınırlı Çıkış Gerilimi Dalga Formu

►İlginizi Çekebilir: Emrinizdeki Op-Amp'lar | 1.Bölüm

Slew rate’in bir op-amp’ın çıkış işaretinin ne kadar hızlı değiştiğini tanımladığını öğrendik. Bu tanımdan yola çıkacak olursak slew rate’in bir op-amp’ın çalışabileceği en yüksek frekans değerini belirlediğini söyleyebiliriz. Slew rate, op-amplı bir devrenin performansını sınırlar. Eğer bu sınır aşılacak olursa çıkıştaki dalga biçimi bozulacaktır. Op-amp’lar devre konfigürasyonu nedeniyle pozitif ve negatif geçişler için farklı dönüş hızlarına sahip olabilir.

Slew rate idealde sonsuz, pratikte ise olabildiğince yüksek olmalıdır. Örneğin 741C entegresinin slew rate değeri 0.5 V/µs’dir. Yani 741C opampı için çıkış işaretinin 0 V’dan 10 V’a yükselmesi 20 µs sürer.

Op-Amp’ın Giriş Aşamasında Yüksek Kazanç

Modern op-amp’lar, transkondüktans (iletkenlik) özelliklerine sahip yüksek kazançlı diferansiyel giriş aşamaları kullanır. Bu, bir op-amp’ın giriş aşamasında bir diferansiyel giriş gerilimi aldığı ve çıkış aşamasında bir çıkış akımı ürettiği anlamına gelir. Buradaki transkondüktans, aslında transfer iletkenliğidir. Transfer iletkenliği bir elektriksel karakteristiktir ve bir cihazın çıkışından bir cihazın girişindeki gerilime geçen akım olarak tanımlanır.

Op-amp’ların transkondüktanslığı oldukça yüksektir. Bu noktada op-amp’ın büyük açık çevrim kazancı üretilir. Büyük açık çevrim kazancının oluşması, küçük giriş geriliminin op-amp’ın girişini doyuma götürdüğü anlamına gelir. Doyum koşulunda op-amp’ın girişi sabit çıkış akımı üretir ve sabit akım kaynağı olur. Ayrıca doyum koşulunda op-amp’ın çıkışında meydana gelen değişim hızı ciddi şekilde sınırlanacaktır. Bu, slew rate’i sınırlamış olur.

Op-Amp’ın 2. Aşamasında Frekans Kompanzasyonu

Frekans kompanzasyonu, kararlılık sağlamak ve yüksek frekans yanıtını azaltmak için tüm op-amp’lara uygulanır. Frekans kompanzasyonu, slew rate üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Frekans yanıtının azalması op-amp’ın çıkışında meydana gelen değişim oranını sınırlar. Dolayısıyla op-amp’ın slew rate’i bu sınırlamadan etkilenir.

Op-amp’ın ikinci aşamasına uygulanan frekans kompanzasyonu, düşük geçiş özelliği gösterir ve bir entegratöre benzer. Dolayısıyla sabit akım girişi, doğrusal olarak artan bir çıktı üretecektir. İkinci aşamanın etkin bir giriş kapasitansı (C) ve gerilim kazancı (A₂) varsa, slew rate:

Burada I_constant ilk aşama doyumdayken akan sabit akımı temsil eder.

Şekil 3: Giriş ve Slew Sınırlı Çıkış Gerilimi Dalga Formu

Slew Rate Bozulması

Bir op amp, slew rate limitinin üzerinde çalıştırılırsa, sinyaller bozulur. Bunu görmenin en kolay yolu sinüs dalgası aracılığıyla inceleme yapmaktır. İncelemeyi yapacağımız op-amp bir gerilim izleyicidir ve basamak girişine sahiptir. Aşağıdaki grafikten de görülebileceği gibi max gerilim oranı sıfır geçiş noktasında meydana gelir.

Saniyede 2πfV slew rate’e sahip bir işlemsel yükselticimizin olduğunu varsayalım. Grafikte f Hz ve V volt tepe gerilimine sahip bir sinüs dalgası verilmiştir. Bu değerler sıfır geçiş noktasında oluşan maksimum slew rate gereksiniminin karşılanabilmesi için gereklidir.

Grafikte görülebileceği gibi limit anında op-amp’ın slew rate bozulması çıkışta üçgen bir dalga ile karşılaşmamıza neden olur. Frekans artırılırsa op-amp daha az ayak uydurabilecek ve bu nedenle çıkıştaki dalga formunun genliği azalacaktır.

Slew Rate vs Bant Genişliği

Slew rate, bir op-amp’ın giriş seviyesindeki ani değişime yanıt verebileceği maksimum hızdır. Slew rate’in limit anında op-amp tarafından yükseltilen herhangi bir sinyali bozabileceğini veya sınırlayabileceğini az önce gördük. Girişteki sinüzoidal sinyal, op-amp kazancı ile çarpılır. Bunun sonucunda sinyalde slew rate’den daha yüksek bir eğim meydana gelir. Bundan dolayı çıkışta oluşması beklenen sinüzoidal dalga biçimi yerine üçgen dalgalar ortaya çıkar. Bu etki doğrusal değildir ve sinyalin şekli değişebilir veya bozulabilir.

Bant genişliği ise op-amp’lardaki tüm sinyal frekanslarının eşit olarak yani bozulma olmadan yükseltildiği frekans aralığını temsil eder. Bir op-amp'in bant genişliği mümkün olduğunca büyük olmalıdır. Sinyali sıfır frekanstan yükseltebilmelidir. Bu nedenle, bir op-amp'in kazancı, 0 frekansından sonsuz frekansa kadar sabit olmalıdır. Bant genişliği hertz cinsinden ifade edilir.

Bant genişliği daha yüksek olduğunda, op-amp daha yüksek frekans sinyallerini artırma yeteneğine sahiptir, bu nedenle yüksek hızlara sahiptirler. Sinyalin kazancının 1/√2 ( 0.707) olduğu frekans, op-amp’ın mükemmel bant genişliği değeridir. Bant genişliğinin etkisi doğrusaldır ve çıkış sinyalinde bozulma oluşturmaz.

Slew rate ve bant genişliği op-amp’ın hızıyla alakalı 2 kavramdır. Bu kavramları anlamak ve benzerliklerini algılayabilmek, oldukça zordur. Bu 2 kavram bir basamak yanıtı için toplam süreye karar vermede birlikte çalışır.

Kaynak:

► electrical4u.com
► electronics-notes.com
► elprocus.com