詢問應(yīng)用工程師：建立時間

問：為什么建立時間很重要？

A：運算放大器建立時間是保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。為了實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集，運算放大器輸出必須在A/D轉(zhuǎn)換器能夠準確數(shù)字化數(shù)據(jù)之前建立。然而，建立時間通常不是一個容易測量的參數(shù)。

多年來，用于測量運算放大器建立時間的技術(shù)和設(shè)備幾乎無法跟上器件本身的性能。隨著每一代新一代運算放大器在更短的時間內(nèi)達到更高的精度，對測試設(shè)備、其設(shè)計人員和用戶提出了更高的要求。一個主要難題，通常會導致工程師之間的分歧，是技術(shù)和設(shè)備的某種組合實際測量被測設(shè)備（DUT），還是只是測試設(shè)置的某些限制屬性。因此，不斷開發(fā)新的測試設(shè)備和技術(shù)，以努力指定這個要求越來越高的參數(shù)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，運算放大器的輸出應(yīng)穩(wěn)定在1 LSB [即2 LSB-nFS]在系統(tǒng)采樣率決定的時間段內(nèi)驅(qū)動 A/D 的最終值。在滿量程的 1 LSB 以內(nèi)建立意味著 A/D 的建立精度為 ±1/2 LSB。因此，10位系統(tǒng)要求運算放大器穩(wěn)定到1024分之一的一半，或大約0.05%。12 位系統(tǒng)需要建立到 4096 中一個部分的一半 （0.01%）。對 14 位及更高要求更加苛刻。建立時間值（如 0.1% 和 0.01%）是最廣泛的指定值。

雖然較大的滿量程信號范圍會增加LSB的尺寸，從而在一定程度上緩解問題，但對于高頻系統(tǒng)來說，這不是一種可行的方法。大多數(shù)高頻A/D的滿量程范圍為1 V或最多2 V。對于具有10 V滿量程信號的1位系統(tǒng)，LSB約為1 mV。對于12位系統(tǒng)，LSB約為250 μV。為了解決滿量程轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定特性，必須處理接近四個數(shù)量級的動態(tài)范圍。隨著新運算放大器（例如AD9631和AD9632）的建立時間降至20 ns至10 ns范圍，建立時間的測量提出了相當大的挑戰(zhàn)。

Q. 如何測量建立時間？

A：多年來的一個關(guān)鍵要求是需要使用快速、精確的信號源（通常稱為平頂發(fā)生器）來驅(qū)動運算放大器的輸入。顧名思義，這樣的發(fā)生器在兩個已知振幅水平之間會有急劇的過渡，t0，應(yīng)具有最小的過沖（或下沖），然后在剩余的測量時間內(nèi)保持平坦。在這種情況下，“平坦”意味著比放大器中要測量的誤差明顯平坦。

需要很高的精度才能確定運算放大器的任何輸出信號完全是由于它的建立響應(yīng)，而不是它對階躍轉(zhuǎn)換后輸入端存在的信號的響應(yīng)。該信號路徑中的任何有源器件都需要比DUT更好的建立特性。

這種發(fā)電機在實踐中很難開發(fā)。一種相當“低技術(shù)”的設(shè)備已經(jīng)使用了相當長的一段時間，作為產(chǎn)生平頂過渡的手段;連接到穩(wěn)定的低阻抗電壓源的汞潤濕觸點繼電器的觸點開口可用于產(chǎn)生相當干凈（且令人驚訝的快速）平頂脈沖。該圖顯示了執(zhí)行此功能的簡單電路。對于負向轉(zhuǎn)換，在繼電器閉合的情況下，將直流電壓VSTEP施加到DUT的輸入端，并將50 Ω電阻施加到地。當繼電器斷開時，輸入節(jié)點迅速放電至地，從而產(chǎn)生輸入轉(zhuǎn)換。開路繼電器觸點確保所有其他元件與放大器輸入完全隔離;只要繼電器保持開路，輸入電平就保持恒定（接地至50 Ω）。

下一個問題：直接測量輸出需要處理較大的動態(tài)范圍。如果將DUT配置為逆變器，則可以創(chuàng)建一個減法器電路，該電路僅查看誤差信號，而不必處理輸出的整個動態(tài)范圍。圖中所示電路用于測量AD16的797位建立時間—典型值為800.0%為0015 ns。

本電路中的DUTA1的增益配置為-1。從輸入到輸出的分壓器形成第二個“假”求和節(jié)點，該節(jié)點將在放大器的求和節(jié)點上復制信號。100-Ω電位計用于將直流電壓調(diào)零。電位計的游標由A2輸入端的二極管箝位，以限制該放大器的飽和效應(yīng)。輸出也具有類似的箝位功能。

由于A2輸出端的轉(zhuǎn)換前和轉(zhuǎn)換后電壓相同（即差值為零），因此由于階躍變化引起的放大器的建立特性對于測量A1并不重要。因此，可以測量A2的輸出以找到A1的建立時間。

該技術(shù)要求將DUT配置為反相放大器。該電路可以在其他增益下工作，但電阻值和直流平衡電位計的設(shè)置將對測量產(chǎn)生更大的影響。

問：還有其他技術(shù)嗎？

A：另一種測量建立時間的技術(shù)使用數(shù)字示波器的計算能力。它計算一個波形，該波形表示建立誤差，表示為DUT的采集輸入和輸出信號之間的瞬時差值，并將其與理想建立器件的值進行比較。由此產(chǎn)生的波形是DUT的誤差。

如果該系統(tǒng)存在增益誤差，它將在誤差波形中顯示為直流失調(diào)。該計算可以適用于具有任何增益的DUT，無論是反相還是同相。它還可以補償本身具有低頻穩(wěn)定尾的信號發(fā)生器。DUT對低頻輸入的響應(yīng)不會受到該建立時間的影響。

由于此類示波器主要針對速度而設(shè)計，因此為了確定更高分辨率下的誤差，必須使用平均法。例如，如果示波器中使用的A/D只有8位分辨率，但精度優(yōu)于8位，則可以對多個周期進行平均，以提高測量的有效分辨率。

問：還有嗎？

A：然而，測量建立時間的第三種方法是直接查看輸出。Data Precision Data 6000 可以直接數(shù)字化高達 5 V 的信號，具有 16 位精度和 10ps 分辨率。美中不足的是，該儀器依賴于使用比較器探頭進行重復采樣。每個采樣點的波形一次由一位組成。因此，獲得沉降特性可能非常耗時。當使用具有1kHz高頻率的繼電器式平頂發(fā)生器時尤其如此。

Q. 為什么數(shù)據(jù)手冊有時會定義短期和長期穩(wěn)定特性？

一個。建立時間的傳統(tǒng)定義是從輸入轉(zhuǎn)換到放大器輸出進入指定誤差區(qū)并且不再離開的時間。這個概念相對簡單明了。但是，在某些情況下，初始建立速度很快，然后長時間穩(wěn)定到最終值。單電源放大器在下軌附近可能表現(xiàn)出這種特性。對于大瞬變，“熱尾”是一種緩慢的漂移，在快速穩(wěn)定到明顯出色的初始精度后持續(xù)相對較長的時間。

當運算放大器內(nèi)的電壓電平變化由階躍轉(zhuǎn)換引起時，會產(chǎn)生晶體管之間的溫度梯度。匹配的晶體管在暫時不同的溫度下無法很好地跟蹤。芯片的熱時間常數(shù)決定了平衡恢復所需的時間。運算放大器旨在通過仔細放置器件和產(chǎn)生熱對稱的策略來防止或減少這些影響，但對于低電平高精度器件來說，這比為高速設(shè)計的器件更容易，因為會發(fā)生大而快速的功率擺動。

特別是，新的介電隔離工藝（如XFCB）在提高運算放大器的原始速度方面創(chuàng)造了奇跡，在最大限度地減少熱尾的存在方面可能有一些困難。這是因為該過程為每個晶體管提供了一個單獨的電介質(zhì)“浴缸”。雖然這種介電隔離降低了寄生電容并大大加快了電氣性能，但它也提供了隔熱，減緩了熱量散發(fā)到基板的速度。

長尾的嚴重程度取決于應(yīng)用。例如，一些系統(tǒng)以與初始短期建立時間兼容的速率采樣，并且不會受到長期漂移的嚴重影響。通信系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)換信號的頻域特性是最重要的，是此類系統(tǒng)的例子。雖然長期建立誤差會導致增益和失調(diào)的變化，但長期熱尾對數(shù)字化信號失真產(chǎn)物的貢獻最小。對于這些系統(tǒng)，頻域測量（如失真產(chǎn)物）比建立時間等時域測量更重要。

另一方面，視頻和掃描儀等系統(tǒng)可能會產(chǎn)生階躍輸入，然后是恒定值的長期平臺。在此期間，運算放大器輸出信號的重復A/D轉(zhuǎn)換將跟蹤長期建立特性。對于這些系統(tǒng)，了解運算放大器的長期建立特性非常重要。

下圖顯示了AD8036的長期和短期建立模式，AD0是一款單位增益穩(wěn)定的高速箝位放大器，非常適合高速系統(tǒng)中的A/D驅(qū)動器。左圖顯示，在最初的大轉(zhuǎn)換之后，輸出仍比其長期最終值高出約09.300%。然而，右圖顯示，在大約16 ns之后，輸出進入局部0.01%短期建立區(qū)域，某些系統(tǒng)可以對其進行有效采樣。AD8036的失真極低（負載2 Ω時，二次和三次諧波下降3 dB以上），因此非常適合對這種性能至關(guān)重要的系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷