运算放大器的建立时间

2018-7-30 22:41

问：建立时间为何重要?

答：运算放大器的建立时间是保证数据采集系统性能的一项重要参数。为了准确地采集数据，运算放大器的输出必须在模拟数据转换器准确地将数字量转换之前达到稳定。建立时间是一项通常不容易测量的参数。近几年来，测量运算放大器的建立时间的方法和设备几乎跟不上运算放大器本身性能的发展。新一代运算放大器在短时间内达到稳定的精度越高，对测试设备及其设计者和使用者的要求也就越高。工程师们对此常常产生不同看法：有的人认为应该将测试方法与测试设备结合起来测量待测器件(DUT)的建立时间。还有的人认为建立时间的测量主要受测试设备一些极限特性的限制。因此，为了解决已提出的建立时间参数的要求，人们一直在不断地开发新的测试设备和测试方法。

在数据采集系统中，在系统采样速率决定的采样周期内，运算放大器的输出应该在其驱动模数转换器(ADC)的终值的1 LSB(即2 －n FS)范围内达到稳定。稳定在满度的1 LSB 范围内意味着ADC的准确度稳定在±1/2 LSB。因此10位ADC要求运算放大器稳定到1/1024的一半，即005%；12位ADC要求稳定到1/4096的一半，即001%；14位ADC则要求更高的精度。建立时间绝大多数都规定达到01%和001%。

虽然增大满度信号范围会增大LSB的量值，使问题比较容易解决，但是对于高频系统却是一种不可采纳的方法。大多数高频ADC满度信号为1V，最高为2V。对于10位DAC，在满度信号为1V的情况下，LSB大约是1mV；对于12位ADC，LSB大约是250μV。为了能够测量满度变迁情况下的稳态特性，其动态范围必须达到4个数量级。新型运算放大器(例如AD9631和AD9632) 的建立时间减小到20～10ns范围内，测量这样短的建立时间非常困难。

2018-7-30 22:42

问：如何测量建立时间?
答：近年来要求用一个快速、精密信号源(通常称作平顶波发生器)来驱动运算放大器已成为测量建立时间的关键问题。顾名思义，这种平顶波发生器，to时刻在两个已知幅度之间应该有一个很陡的阶跃和最小的上冲(或下冲)，使之在测量时间的有效范围内保持“ 平坦”。这里所谓的“平坦”是指与DUT的建立时间测量误差相比非常平坦。
为了确保运算放大器的任何输出信号完全能跟得上阶跃响应，而不是输入信号阶跃跳变后对信号的响应。这样就得要求运算放大器的准确度非常高，因此这种测量线路中的任何有源器件的建立时间特性都要优于DUT的建立时间特性。
实际上，这种平顶波发生器制作起来很困难。通常使用一种技术要求很低的器件构成“ 平顶波发生器”，即把一个汞润触点继电器(mercurywettedcontact relay)的常开触点接到一个低内阻稳压源上，可以产生一个波形的顶部非常平而边缘又非常陡的平顶脉冲。图91示出了实现这种功能的一个简单电路。DUT输入端接一个50Ω接地电阻。当继电器闭合时，直流电压V STEP 施加到DUT的输入端，产生一个负向跳变。当继电器断开时，输入节点对地快速放电，产生输入正向跳变。继电器常开触点应该保证所有其它元件与运算放大器输入端完全隔离，只要继电器保持断开状态，运算放大器的输入电平(通过50Ω电阻接地)应保持不变。

图91 用汞润触点继电器构成的平顶波发生器

下一个问题是，直接测量输出要求控制一个大的动态范围。如果DUT接成反相器，那么构成的减法器电路只需关心误差信号而不必考虑整个输出动态范围。图92示出了用来测量AD7 97达到16位精度建立时间(即达到00015%典型值为800 ns)所用的电路。在图92中，A1为DUT，其增益为-1。由输入到输出端的分压器构成第二个“准”求和点，它可重现该放大器求和点的信号。100Ω电位器用来使直流电压调零。在A2的输入端接两支二极管用来对电位

图92 AD797建立时间测量电路

器滑动端箝位，以防止放大器饱和，同样对放大器的输出端也起到箝位作用。
由于A2的输出电压在阶跃前后是一样的(即差值为零)，所以由于阶跃变化所产生的该放大器的稳定特性对于测量A1是不重要的。因此测量A2的输出便可以得到A1的建立时间。这种方法要求DUT接成反相放大器。该电路虽然也可在其它增益情况下工作，但是电阻和直流调零电位的稳定性将对测量有较大的影响。

2018-7-30 22:43

问：还有别的测量方法吗?
答：测量建立时间的第二种方法是利用数字示波器的计算功能。这种方法是计算代表建立时间误差的波形，即先测量DUT接受的输入信号与输出信号之间瞬时波形差，然后将其与理想器件建立时间的这种波形差相比较，便可得到DUT的误差波形。
如果在这个系统中存在增益误差，那么它会使误差波形表现为直流偏移。因此这种计算方法适用于任何增益的DUT，不论是接成反相放大器，还是接成同相放大器。这种方法对于有低频建立拖尾的信号发生器起到补偿作用，从而使DUT对低频输入响应不再受建立时间的影响。
因为这种示波器要应用于高速测量，为了要在高分辨率情况下测量误差，必须采用平均方法。例如，如果示波器所用的ADC仅有8位分辨率，但又要使精度优于8位，那么只能用多个周期的平均值来提高测量的有效分辨率。

问：还有其它的测量方法吗?
答：测量建立时间的第三种方法是直接测量输出波形。Data 6000型数据精密分析仪可将高达5V的信号直接数字化，具有16位精度和10ps分辨率。但美中不足的是这种仪器依赖于比较器探头的重复采样。为了测得建立时间波形，要对所有采样点每次采样一位。因此测量建立时间要花费很多时间，尤其是当使用上限频率为1kHz的继电器式平顶波发生器时更是如此。

2018-7-30 22:44

问：为什么产品说明中把建立时间特性分为短期建立时间和长期建立时间?
答：传统的建立时间定义是指从放大器输入阶跃开始到其输出进入规定误差带并不离开这个误差带所需要的时间。这个定义非常简单明了，但是有时会出现这种情况；初始建立时间很快，但随后要拖一段时间才稳定到终值。单电源放大器在电源的下限附近可能会出现这种现象。对于更为常见的输入信号大的瞬变情况下，在快速稳定到极好的初始精度之后，有一个相当长时间缓慢漂移的“热拖尾”。
产生热拖尾的原因是，当阶跃跳变使运算放大器的内部电压产生突变致使内部晶体管形成温度梯度。由于临时出现温差使匹配晶体管不能很好地跟踪。芯片的温度时间常数决定达到热平衡所需要的时间。为了防止或减小这种影响，在运算放大器设计时就应细心地安排器件位置，设计成热对称结构，这种方法对于低速高精密器件来说要比高速器件更容易实现，因为高速器件电源的摆幅大而且速度快。
应该特别指出的是，使用明显改善运算放大器工作速度的新的绝缘隔离工艺(类似超快速互补双极型工艺，XFCB)在减小热拖尾问题方面还有些困难。因为这种工艺使每个晶体管都有一个独立的绝缘“管 ”。虽然这种绝缘隔离减小寄生电容并使工作速度大大提高，但它有热绝缘作用，使热量耗散到衬底层的速度减慢。
长拖尾的严重性和具体应用有关。例如，有些系统的采样速率与最初的短期建立时间一致，所以受长期漂移的影响不太大。对于非常注重转换信号频域特性的通信系统及其它有关应用就属于这种情况。虽然长期建立时间误差可以使增益和失调发生变化，但是长期热拖尾对数字信号的失真信号影响很小。这种频域测量(例如失真信号)系统要比时域测量(例如建立时间)系统更加重要。另外，譬如视频和扫描仪系统可能有阶梯波输入，随后跟一个长期恒定的台阶电压。在这期间，对运算放大器的输出信号进行重复模数转换能跟踪长期建立时间特性。在这种系统中，了解运算放大器的长期建立时间特性是非常重要的。
图93示出了单位增益稳定、高速箝位放大器AD8036的长期建立时间特性曲线和短期建立时间特性曲线，这种放大器适合用作高速系统模数转换驱动器。左图示出了在初始大的阶跃之后，一直保持在长期稳定终值的009%。右图示出在时间轴放大300倍情况下，大约16秒后，输出达到短期建立时间范围内的001%，这对有些系统的采样非常有用。AD8036 的失真非常低(在500Ω负载情况下，2次谐波和3次谐波失真降到65dB以上)，所以对于这种性能要求非常关键的系统来说，它是一种优选器件。

图93 AD8036长期建立时间和短期建立时间特性曲线

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