Slew Rate (SR):

 

(da tradurre come velocità di variazione, letteralmente rapporto di sbandamento).

Lo slew rate (SR) misura la massima velocità di variazione ammessa per una certa grandezza (per esempio della tensione di uscita di un amplificatore o la velocità di spostamento di un diaframma di un altoparlante o del cantilever di un pick up). È una grandezza misurata in regime di grandi segnali. Lo slew rate non va confuso con il tempo di salita (o di discesa) che si misura in regime lineare (piccoli segnali) con onde quadre e/o impulsi rettangolari. Per misurare lo slew rate di un amplificatore si usa come stimolo un’onda quadra e quindi se ne aumenta la ampiezza finché non diventa un’onda trapezioidale. La pendenza del fronte di salita (il “lato” del trapezio) misura la massima variazione della tensione di uscita.  Il minimo SR teorico di un segnale registrato su CDA (44100 Hz, 16 bit) (per un amplificatore da 100 Watt RMS su 8 ohm con 40 Volt di picco in uscita) vale circa 3.5 (7 per 400 Watt RSM). Quindi l’amplificatore deve presentare uno SR maggiore (la formula empirica indica 5 V/uS). Valori di SR di 3.5 o 5 V/uS per amplificatori da 100 –W su 8 ohm, nella pratica, risultano ampiamente insufficienti:  Un amplificatore da 100 W/8ohm deve avere uno SR nell’ordine di 35 o più.

E’ invece vero che i segnali contenuti nei CD presentano SR bassi (anche meno di un Volt riferiti ad una escursione di 80 Volt picco-picco).

Negli amplificatori uno SR insufficiente genera distorsione per intermodulazione dinamica. Lo SR non può essere migliorato dalla retroazione.

 

Consideriamo una traccia registrata su CD Audio: la frequenza di campionamento vale 44100 Hz quindi c'è un campione ogni 1/44100 = 22.6 microsecondi.
Prendiamo un amplificatore da 100 Watt su 8 ohm. La massima escursione della tensione di uscita va da -40 a + 40 Volt ed è pari a 80 Volt picco-picco.
Nel caso peggiore possiamo incontrare, nella traccia del CD, un campione con il valore minimo assoluto seguito da un campione con valore massimo assoluto (o viceversa). La sorgente possiede un filtro passa basso in uscita che serve a sopprimere la frequenza di campionamento quindi il segnale, in realtà, non è fatto a gradini ma è continuo (analogico) e le transizioni sono "meno veloci" del valore indicato. Quindi stiamo già esagerando.
Per riprodurre questa transizione l'uscita dell'amplificatore dovrà passare da -40 a + 40 in 22.6 microsecondi. Quindi lo slew rate minimo vale 80/22.6 = 3.59 Volt/uS. 

Aumentando il campionamento da 44.1 a 48 o 196 KHz  si  passa a slew rate più elevati ma il ragionamento è lo stesso.
Se l'escursione di uscita dell'ampli viene aumentata (per esempio a 160 Volt picco-picco) lo slew rate richiesto diventa doppio... ecc.

Nelle effettive condizioni d’uso lo slew rate necessario è almeno 10 volte maggiore di quello teorico.

 

Nota: se un amplificatore deve pilotare un carico puramente resistivo la tensione e la corrente nel carico risultano in fase e la retta di carico dei dispositivi di uscita dell’amplificatore è, e resta, una retta. In queste condizioni lo slew rate richiesto potrebbe anche essere il minimo calcolato teoricamente (3.6 per un ampli da 100 W su 8ohm).

 

I problemi sorgono quando il carico è reattivo.

 

Vediamo ora un altro aspetto:

 

è richiesta una escursione di 40 Volt su 8 ohm -> la corrente vale   5 Amper

è richiesta una escursione di 40 Volt su 4 ohm -> la corrente vale 10 Amper

è richiesta una escursione di 40 Volt su 2 ohm -> la corrente vale 20 Amper

 

Se definiamo uno slew rate di corrente possiamo notare che, mentre lo slew rate di tensione rimane costante, lo slew rate di corrente aumenta al diminuire del carico.

 

Calcolo dello Slew-rate per segnali sinusoidali

 

Il valore dello Slew Rate (SR) dipende specialmente dalla velocità di carica e scarica delle capacità parassite e di quelle di compensazione presenti all’uscita dello stadio di ingresso. Nel caso di segnali sinusoidali lo SR si calcola:

 

Legame Slew-rate e massima frequenza per segnali sinusoidali

 

 

Possiamo calcolare, dalla formula precedente, la massima frequenza che il segnale sinusoidale potrà avere per essere amplificato senza distorsione.

Essa dipende direttamente dallo slew-rate ed inversamente dall’ampiezza massima del segnale di uscita. In caso di segnali sinusoidali, se la velocità di variazione è maggiore dello Slew-rate, il segnale di uscita diventa triangolare. Per fmax=20000 e Vumax=40, SR = 5 (circa). I vari modi di stimare lo Slew rate portano a valori dello stesso ordine di grandezza (tra 3.5 e 5).

 

Da Audio Power Amplifier Design Handbook - Fourth Edition (Douglas Self)

(traduzione di Mario Bon)

 

Peter Baxandall ha misurato lo slew rate di segnali estratti da dischi in vinile, e concluse che potevano essere riprodotti da un amplificatore con slew rate di 0.55V / usec.

Nelson Pass ha fatto test simili, con un pick up a magnete mobile (MM),trovando un massimo non dissimile di 1V/usec a 100 W. Un pick-up Moving-coil (MC) arriva a 2V/usec, sempre Pass ha segnalato che il massimo slew rate assoluto (per dischi realizzati a taglio diretto) è di 5 V/uS (sempre per ampli da 100 Watt).

 

Questo è comodamente sotto il 20V/uS e Pass conclude dicendo che, anche con un margine di 10 volte, con un ampli da 100Watt non è necessario superare 50V/uS.

Va aggiunta una considerazione: la banda passante deve essere limitata a 20kHz quindi questo valore va considerato ottimale per i CD 16/44.1kHz.

 

Nota di Mario Bon: dalla analisi ASDA di tracce estratte da CD Audio, risulta che lo Slew rate del segnale è tanto più alto quanto più basso è il fattore di cresta della traccia esaminata. Con tracce caratterizzate da fattore di cresta = 3, lo slew rate del segnale tende al massimo teorico di 3.5 mentre con tracce (ben registrate) con fattori di cresta superiori, lo slow rate vale meno di un Volt. Questo significa che le tracce più compresse, oltre che suonare male per conto loro, sono anche le più esigenti in termini di Slew rate. La cosa interessante è che, in pratica i dati di Pass e Baxandall  concordano con quanto  rilevato per i CD Audio.

 

Così come esiste uno slew rate elettrico, esiste uno slew rate meccanico e anche il nostro orecchio, in quanto sistema elettro-meccanico, ha un suo slew rate.