Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate)

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Die Anstiegsgeschwindigkeit ist eine wichtige Kenngröße für Verstärker und elektronische Bauelemente

Einführung

Wie der Name Anstiegsgeschwindigkeit schon sagt, handelt es sich hier um eine Geschwindigkeit, mit der sich z.B. eine Spannung oder ein Strom verändern kann. Bekannt ist der Begriff "Geschwindigkeit" aus der klassischen Physik, ein Körper bewegt sich mit beispielsweise mit 5 Metern pro Sekunde. In Analogie dazu entstand in der Elektrotechnik der Begriff "Anstiegsgeschwindigkeit", beispielsweise eine Spannung verändert ihre Größe innerhalb einer bestimmten Zeit, hierbei entsteht die Einheit Volt pro Sekunde.

Vergleich aus dem Alltag

Bereits mit einem einfachen Vergleich der Anstiegsgeschwindigkeit zweier Verstärker, lassen sich aus diesem Parameter erste Aussagen treffen. Ein Auto oder ein Motorrad mit einer Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h ist deutlich schneller als eines mit 120 km/h. Vereinfacht gesagt, die Anstiegsgeschwindigkeit ist die Höchstgeschwindigkeit eines Verstärkers. Wie bei einem Fahrzeug auch, sagt alleine die Höchstgeschwindigkeit noch nicht viel aus über die Anwendungen und Qualitäten eines Fahrzeugs. Bei einem Fahrzeug mit einer Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h werden wir wohl kaum einen Lastkraftwagen erwarten. Bitte nicht - bei einer Slew Rate von 4000 V/µs eine Hifi Verstärker Endstufe zu erwarten ist utopisch, der eingeweihte Elektroniker denkt dabei sofort an Video Operationsverstärker oder ähnlich schnelle Teile.

Oszillograph eines guten 10 MHz Rechteck Signal

Bild 1 zeigt ein 10 MHz Rechtecksignal eines Tektronix AWG430 Generators. Aufgezeichnet mit einem Tektronix TDS5054 Oszilloskop mit einer Rise Time von ca. 800 Picosekunden. Am Scope ist ein Mehrfarbenmodus eingestellt, um die Intensität des "Elektronenstrahls" besser darzustellen. Zeitbasis 10 ns/DIV, vertikal 200mV/DIV. 50 Ohm.

Das Bild zeigt, daß auch sehr gute Generatoren immer noch nicht perfekt sind. Ein Einschwingvorgang und eine endliche Anstiegsgeschwindigkeit wird immer vorhanden sein. Den gewünschten "Rechten Winkel" gibt es in der Natur nicht und wird es auch nicht geben, nur in der Mathematik. Zum Messen der Slew Rate sollte das bestmögliche Rechteck und schnellste Oszilloskop verwendet werden, das zur Verfügung steht. Insbesondere bei sehr schnellen Operationsverstärkern ist dies besonders wichtig. Für einen Hifi Verstärker ist der Anspruch an die Geschwindigkeit des Test Equipment stark reduziert, wegen der geringeren Geschwindigkeit von Audio Geräten.

Oszillograph eines guten 1 kHz Rechteck Signal

Bild 2 zeigt das gleiche Test Equipment, nun aber ein 1 kHz Rechtecksignal. Mittlerweile sieht dieses Signal auf dem Oszilloskop perfekt aus. Eine Anstiegszeit und ein Einschwingvorgang ist optisch bei dieser Zeitbasis nicht zu erkennen. Für einen Hifi Verstärker ist ein 1 kHz Signal eine gute Wahl, die Grundwelle ( 1 kHz) und auch noch viele Rechteckoberwellen (3, 5, 7, 9 kHz usw.) liegen noch innerhalb der Audio Bandbreite und können vom Verstärker übertragen werden. Ein 10 MHz Rechtecksignal an einen Hifi Verstärker anzulegen wäre sinnlos, es sei denn der Entwickler möchte wissen, ob der Verstärker auf höherfrequente Signale mit Oszillation am Ausgang reagiert.  Es ist verboten, daß bei einer Slew Rate Messung ein Lautsprecher angeschlossen ist, da der Hochtöner durch die hohen Frequenzen und Pegel zerstört wird. Für einen Test ist ein Pegel zu empfehlen, ca. 5% bis 10% unter der maximalen Ausgangsspannung bei Normallast (z.B. 4 Ohm).

slew004.jpg (40830 Byte)

Bild 3 ist das gleiche Signal wie in Bild 2, lediglich das Oszilloskope zeigt das Signal in einer anderen Darstellungsweise. Der Mehrfarben Modus ist ausgeschaltet und der "digitale Elektronenstrahl" steht auf Grün, und zeigt wie das Rechtecksignal auf einem analogen Oszilloskop aussehen würde. Auch hier zu sehen, ein minimales Oszilloskop Rauschen. Ein analoges Oszilloskop ist für die Messung der Anstiegszeit genauso gut geeignet wie ein Digitales.

Oszillograph der ansteigenden Flanke des 1 kHz Rechteck Signal

Bild 4 zeigt die ansteigende Flanke vom 1 kHz Rechtecksignal. Die Anstiegszeit wird üblicherweise gemessen zwischen 10% und 90% der Amplitude. Komfortablerweise berechnet das Oszilloskop die Anstiegszeit mit 1,578 Nanosekunden. Die Slew Rate dieses Signales beträgt 709,8 Megavolt pro Sekunde. Umgerechnet in die üblichen Volt/µs ergibt das: 709,8 Volt pro Mikrosekunde. Der Analogscope Benutzer muss die Teilstriche der Skalierung zählen und die Rechnung vom delta y durch delta x durchführen. Das wahre Rechtecksignal ist noch schneller, da das Oszilloskope ca. 800ps hinzuaddiert. Eine solche Anstiegsgeschwindigkeit des Testsignals ist für einen Hifi Verstärker bereits mehr als ausreichend. Sehr schön zu sehen der saubere Einschwingvorgang des Rechtecksignal mit sehr geringem Überschwingen, diese sind von ähnlicher Natur wie in Bild 1.

Oszillograph der fallenden Flanke des 1 kHz Rechteck Signal

Bild 5 zeigt die fallende Flanke des 1 kHz Rechtecksignales. Die Slew Rate ist nun negativ geworden, da die Spannung sinkt. Das Oszilloskop berechnet -862,5 Volt pro Mikrosekunde. Die fallende Flanke ist schneller als die ansteigende Flanke. Bei diesen kleinen Zeiten ist das aber tolerierbar. Ideal wäre es natürlich wenn beide gleich wären. Schön zu beobachten, daß die Flanken von deutlicher sehr symmetrischer Natur sind. Das spricht qualitativ für die Messgeräte.

 

Eine empfohlene Einstellung für hifi Verstärker ist etwa 1 kHz, gemessen bei unterschiedlichen Amplituden und auch Lasten. Selbstverständlich die 4 Ohm oder 8 Ohm, aber auch unter kapazitiver Last (z.B. >10 nF parallel zur ohmschen Last - es ist zu probieren). Unter kapazitiver Last kommen Schwächen besonders ausgeprägt zum Vorschein, hohes Überschwingen wegen fehlender Bandbreite und hohem dynamischen Innenwiderstand bei höheren Frequenzen. Manche Verstärker zeigen jedoch bereits unter ohmscher Last heftiges überschwingen.

Zusammenfassend spielt es keine Rolle, ob die Anstiegsgeschwindigkeit nun z.B. 7 Volt/µs oder 9 Volt/µs beträgt, entscheidend ist die Größenordnung. Und insbesondere auch ob die Anstiegsgeschwindigkeit stark variert mit Last oder Kapazität.

Bei einer Messung der Anstiegsgeschwindigkeit von einem Verstärker, ist es selbstverständlich sinnvoll, Eingangskanal und Ausgangskanal gleichzeitig auf dem Oszillographen darzustellen und zu vergleichen.

Die Bilder 6, 7 und 8 zeigen die Messung der Anstiegsgeschwindigkeit eines Verstärkers, der auf eine Verstärkung von 20 eingestellt wurde. Die Eingangsspannung ist der grüne Kanal am Oszilloskop, die Ausgangsspannung ist der violette Kanal. Als Test Signal dient ein steilflankiges Rechteck mit 500mVpp Amplitude und 100 kHz. Das Testsignal liefert der AWG430 aus den Bildern 1-5. Anmerkung: der Verstärker ist eine Schaltung aus zwei hintereinander kaskadierten Operationsverstärker, mit gemeinsamer Gesamt Gegenkopplung.

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Bild 6 diese Einstellung der Zeitbasis zeigt auf ersten Überblick, daß kein Überschwingen auftritt. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist mit dieser Einstellung noch nicht messbar.

Bild 7 zeigt die ansteigenden Flanken der Signale. Der Verstärker schwingt mit minimalem Überschwingen sauber und schnell ein. Die angezeigte Slew rate beträgt 693,4 V/µs.

Bild 8 zeigt die fallenden Flanken der Signale. Der Verstärker schwingt mit minimalem Überschwingen sauber und schnell ein. Die angezeigte Slew rate beträgt -1075 V/µs.

Bild 7 und 8 verdeutlichen nochmals, für die Anstiegsgeschwindigkeit existiert kein exakter Wert. Sie ist immer in Abhängigkeit davon, wo genau im Kurvenverlauf gemessen wird. Normalerweise zwischen 10% und 90%, eine Messung zwischen 20% und 80% würde andere Ergebnisse liefern.

Ein paar Größenordnungen, 

(nur Größenordnungen, bitte nicht auf die Goldwaage legen!!!):

  • Präzisionsoperationsverstärker für DC Anwendungen ca. 0,1 V/µs bis 2 V/µs

  • Operationsverstärker für allgemeine Anwendungen ca. 2 V/µs bis 300 V/µs

  • Operationsverstärker für High Speed und Video Anwendungen ca. 300 V/µs bis 6000 V/µs

  • Spezial Verstärker z.B. für Impulse > ca. 6000 V/µs

  • Hifi Verstärker ca. 0,5 V/µs bis 80 V/µs

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Schneller Leistungsverstärker aus der Meßtechnik

Bild 9 zeigt eine ausgezeichnete Rechteckantwort (Eingangs- und Ausgangssignal) eines schnellen Leistungsverstärker für Messzwecke. Der Verstärker steuert große Solarmodule zur Kennlinienvermessung vom Leerlauf bis in den Kurzschluß hinein, während einer transienten Blitzbeleuchtung von wenigen Millisekunden Dauer. Hier wird zur Demonstration der Verstärker Stabilität eine stark kapazitive Last mit 2 kHz Rechtecken belastet. Diese Verstärker Entwicklung war Teil meiner Arbeit. 

So muß eine excellente Rechteckantwort aussehen, auch unter hohem Strom und bei gleichzeitig stark kapazitiver Last. Die Messung wurde so skaliert, daß die Amplituden von Eingangs- und Ausgangssignal die gleiche Vertikal Skalierung erhalten. Es ist nur sehr schwer zu erkennen, da beide Signale fast übereinander liegen. Die Slew Rate wurde hier nicht vermessen.

Zwei Links auf diesen Seiten zur Anstiegsgeschwindigkeit:

Was bedeuten Open Loop, Slew Rate und Bandbreite?        Slew Rate Messung des Wald und Wiesen Verstärker

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