Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate)

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.

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.

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).

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.

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.

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.