寬帶放大器穩(wěn)定時(shí)間的測量

      寬帶放大器用于儀表、波形合成、數(shù)據(jù)采集，以及反饋控制系統(tǒng)。為保證這類系統(tǒng)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，必須驗(yàn)證高速下的精密運(yùn)算。這一要求帶來了困難的測量挑戰(zhàn)。寬帶運(yùn)放具有0.2 mV的偏壓直流精度，增益帶寬為400 MHz，轉(zhuǎn)換速率為2500V/μs（參考文獻(xiàn)1）。IC設(shè)計(jì)者要在快速轉(zhuǎn)換速率與短振鈴時(shí)間之間作出權(quán)衡。快速轉(zhuǎn)換放大器一般會延長振鈴時(shí)間。這種組合使選擇放大器和頻率補(bǔ)償工作更加復(fù)雜化（見附文1：“對放大器補(bǔ)償?shù)膶?shí)際考慮”）。另外，極快放大器的架構(gòu)一般會導(dǎo)致折衷，這也會使直流誤差指標(biāo)降級。

　　穩(wěn)定時(shí)間的定義
驗(yàn)證放大器直流規(guī)格是一件相對簡單的事。各種文獻(xiàn)都定義了要使用的測量技術(shù)。而要獲得可靠的交流規(guī)格，則需要采用更復(fù)雜的方法。無論何種速度下的測量都需要仔細(xì)小心。動態(tài)測量尤其具有挑戰(zhàn)性，而放大器穩(wěn)定時(shí)間也很難確定。穩(wěn)定時(shí)間是從施加一個(gè)輸入，直到呈現(xiàn)輸出，并且在圍繞最終值的一個(gè)規(guī)定誤差帶內(nèi)保持的延續(xù)時(shí)間。放大器廠商通常在滿量程轉(zhuǎn)換上設(shè)定這個(gè)規(guī)格。

　　穩(wěn)定時(shí)間包含三個(gè)各異的成分（圖1）。延遲時(shí)間較小，幾乎完全來源于放大器的傳播延遲。在這一期間，沒有輸出的動作。在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，放大器以最快的速度走向最終值。振鈴時(shí)間定義的是放大器從回轉(zhuǎn)中恢復(fù)出來，并在某個(gè)預(yù)定誤差帶內(nèi)停止動作的區(qū)間。對納秒級穩(wěn)定時(shí)間的測量需要精細(xì)的方案和實(shí)驗(yàn)技能。

　　穩(wěn)定時(shí)間的傳統(tǒng)測量方式是用一個(gè)虛假匯總節(jié)點(diǎn)（false-sum-node）技巧（圖2）。電阻與放大器構(gòu)成一個(gè)橋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)驅(qū)動放大器的輸入端時(shí)，如果電路采用的是理想電阻，則輸出端會步進(jìn)到輸入電壓。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，幾只連接到穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)的二極管限制了電壓的偏移。當(dāng)穩(wěn)定發(fā)生時(shí)，示波器探頭電壓應(yīng)為0V。電阻分壓器的衰減使探頭的輸出電壓等于穩(wěn)定電壓的一半。

　　理論上，應(yīng)可以觀察到此電路快速地穩(wěn)定至小波幅。但實(shí)際上不可能依靠它作有用的測量。這個(gè)電路有幾個(gè)缺點(diǎn)，包括要求輸入脈沖有一個(gè)在所需測量極限內(nèi)的平頂。一般情況下，對5V步長，感興趣的穩(wěn)定電壓小于5 mV。所有通用的脈沖發(fā)生器都不能將輸出幅度和噪聲保持在這些極限值內(nèi)。您無法區(qū)分出發(fā)生器產(chǎn)生的誤差和與放大器相關(guān)的誤差。

　　示波器連接也會帶來問題。隨著探頭電容的增加，電阻結(jié)的AC負(fù)載也影響著觀測到的穩(wěn)定波形。1×的輸入電容過高，因此不適用這種測量。10×探頭的衰減會損及示波器的增益，并且它10 pF的輸入電容仍然會在納秒級速度下產(chǎn)生明顯的滯后。如果使用一個(gè)有源的1×、1pF FET（場效應(yīng)晶體管）探頭，則可以大大減輕這個(gè)問題，但仍有更嚴(yán)重的問題。

　　在放大器轉(zhuǎn)換期間，可以在穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)使用箝位二極管，降低電壓擺幅。這種方案的目標(biāo)是防止電路對示波器輸入端的過驅(qū)動。不幸的是，肖特基二極管上400 mV的壓降意味著示波器要承受一個(gè)不可接受的過載。對不同型號和品牌的示波器，其過驅(qū)恢復(fù)特性有很大的差異，廠商通常并不給出它的規(guī)格。在0.1%分辨率時(shí)，示波器一般會在10 mV/刻度時(shí)承受10倍的過驅(qū)，因此難以獲得所需要的2.5 mV基準(zhǔn)線。

　　用這種辦法，沒有希望在納米速度下進(jìn)行測量。

　　因此，要測量寬帶放大器的穩(wěn)定時(shí)間，就需要一種能以某種方式抑制過驅(qū)動的示波器，以及一個(gè)平頂脈沖發(fā)生器。唯一提供固有過驅(qū)動抑制能力的示波器技術(shù)是經(jīng)典的模擬采樣示波器。不要將這些示波器與有過驅(qū)動約束的現(xiàn)代數(shù)字采樣示波器相混淆。有些文章解釋了經(jīng)典采樣示波器的工作原理。盡管可以買到一些這類二手的儀器，但它們的廠商已不再生產(chǎn)了。不過，您可以借鑒經(jīng)典模擬采樣示波技術(shù)的過載優(yōu)點(diǎn)，自己做出一個(gè)電路。另外也可以使電路具備用作納秒穩(wěn)定時(shí)間測量的特性。

　　避免平頂脈沖發(fā)生器需求的方法是作電流轉(zhuǎn)換，而不是電壓?？刂埔粋€(gè)快速穩(wěn)定的電流進(jìn)入放大器的匯總節(jié)點(diǎn)，要比控制一個(gè)電壓更容易。這種方案減輕了輸入脈沖發(fā)生器的工作，不過仍然必須有約1ns的上升時(shí)間，以避免測量誤差。

　　實(shí)際測量

　　一個(gè)可以測量寬帶放大器穩(wěn)定時(shí)間的電路具有了經(jīng)典方法的特性，不過還表現(xiàn)出了某些新東西（圖3）。示波器通過一個(gè)開關(guān)連接到穩(wěn)定點(diǎn)。通過從輸入脈沖觸發(fā)一個(gè)延遲脈沖發(fā)生器，可確定開關(guān)的狀態(tài)。延遲脈沖發(fā)生器的時(shí)序安排是，穩(wěn)定接近完成時(shí)才閉合開關(guān)。用這種方式，可以從時(shí)間和波幅兩個(gè)方面采樣進(jìn)入的波形。示波器上沒有任何后臺動作；因此也不會出現(xiàn)示波器過驅(qū)動的問題。

　　開關(guān)是在放大器的匯總節(jié)點(diǎn)上，用輸入脈沖控制。這個(gè)開關(guān)通過一個(gè)電壓驅(qū)動電阻，門控進(jìn)入放大器的電流。這種方案消除了對平頂脈沖發(fā)生器的需求，不過開關(guān)必須足夠快速，并且沒有驅(qū)動效應(yīng)。

　　要更詳細(xì)的話，可將延遲脈沖發(fā)生器分離成為一個(gè)延遲部分和一個(gè)脈沖發(fā)生器，從而可以分別改變它們（圖4）。示波器的輸入端有一部分用于補(bǔ)償穩(wěn)定時(shí)間測量路徑的傳播延遲。同樣，其它延遲也補(bǔ)償了采樣門的脈沖發(fā)生器傳播延遲。這個(gè)延遲產(chǎn)生了一個(gè)脈沖的相位提前版，它觸發(fā)待測放大器去驅(qū)動采樣門的脈沖發(fā)生器。這種方案做到了采樣門與脈沖發(fā)生器傳播延遲的無關(guān)性，從而改進(jìn)了最小可測安全時(shí)間。

　　圖4電路最突出的新東西是二極管橋開關(guān)以及乘法器IC。二極管橋與匹配的低電容肖特基二極管與高速驅(qū)動相結(jié)合，得到明確的開關(guān)動作。這個(gè)橋快速地切換進(jìn)入放大器匯總點(diǎn)的電流，穩(wěn)定時(shí)間在1 ns內(nèi)。對地箝位的二極管可防止過高的橋驅(qū)動擺幅，保證沒有不理想的輸入脈沖特性。

　　對采樣門乘法器IC有嚴(yán)格的要求。它必須有準(zhǔn)確的通帶信號路徑信息，而不會帶入特殊的成分，尤其是對那些源于提供采樣門脈沖的開關(guān)指令通道。FET或采樣二極管橋可能是采樣的常見選擇。但FET有寄生的柵極-通道間電容，會在信號路徑中產(chǎn)生較大的柵極驅(qū)動饋通。在幾乎所有FET中，這種饋通多數(shù)時(shí)候都大于觀測的信號，會帶來示波器過載，掩蓋了開關(guān)的作用。二極管橋好一些；消除它的小寄生電容較簡單，并且其對稱的差分結(jié)構(gòu)可獲得低的饋通。但是，橋需要作DC和AC修整，還要復(fù)雜的驅(qū)動與支持電路。

　　為避免這些問題，采樣門乘法器IC用作一個(gè)有低饋通的寬帶高分辨率開關(guān)。這種方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以將開關(guān)控制通道保持在帶內(nèi)。轉(zhuǎn)換速率保持在乘法器IC的250MHz通帶內(nèi)門開關(guān)。乘法器寬的帶寬意味著總能控制開關(guān)指令的轉(zhuǎn)換，不存在帶外的響應(yīng)，這大大減少了饋通和寄生效應(yīng)。

　　穩(wěn)定時(shí)間的電路

　　你可以通過一個(gè)反相器A的延遲網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)由類似反相器C構(gòu)成的驅(qū)動級，用輸入脈沖切換輸入橋（圖5）。延遲補(bǔ)償了采樣門控脈沖發(fā)生器的延遲響應(yīng)。這一步確保了在放大器待測轉(zhuǎn)換時(shí)間結(jié)束后，立即出現(xiàn)采樣門的脈沖。延遲范圍的選擇使采樣門脈沖可以出現(xiàn)在放大器轉(zhuǎn)換前。這種性能在正常工作時(shí)是沒有用的，雖然它可以保證你總能捕捉到穩(wěn)定間隔。

　　C反相器構(gòu)成了一個(gè)非反相驅(qū)動級，用于二極管橋的切換。通過各種調(diào)整，可以優(yōu)化驅(qū)動器的輸出脈沖形態(tài)（見附文2“穩(wěn)定時(shí)間電路的修正過程”）。這種方案為二極管橋提供了一個(gè)干凈而快速的脈沖。高保真的脈沖不會有無阻尼的成分。它能防止產(chǎn)生輻射和破壞性的地電流，避免降低測量噪聲背景的等級。驅(qū)動器還激活B反相器，它為示波器提供一個(gè)時(shí)間相關(guān)的輸入級。

　驅(qū)動器的輸出脈沖通過1N5712二極管箝位的正向壓降，以不到1ns的時(shí)間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換使二極管橋產(chǎn)生了一個(gè)幾乎瞬時(shí)的切換。干凈的穩(wěn)定電流進(jìn)入放大器待測匯總點(diǎn)，產(chǎn)生了一個(gè)成比例的放大器輸出動作。用一只拉至-5V的1kΩ電阻，為放大器的匯總點(diǎn)建立一個(gè)負(fù)偏流。該電流與輸入電流級相結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)-2.5V?+2.5V的放大器輸出轉(zhuǎn)換。這個(gè)放大器輸出再送至一個(gè)偏置在5V的分壓器。調(diào)整電位器至一個(gè)標(biāo)稱500Ω值，使得當(dāng)待測放大器轉(zhuǎn)換到-2.5V時(shí)，由兩只肖特基二極管箝位的結(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換為0V。緩沖放大器卸載這個(gè)箝位穩(wěn)定結(jié)點(diǎn)，為AD835乘法器IC提供穩(wěn)定時(shí)間信號。

　　進(jìn)入乘法器IC的其它信號路徑使用一只20kΩ的電位器，設(shè)定輸入脈沖的延遲時(shí)間。這個(gè)電位器饋送至三個(gè)比較器，用一只2kΩ電位器設(shè)定延遲脈沖寬度。這一步設(shè)定了采樣門的導(dǎo)通時(shí)間。Q1級使采樣門的脈沖成為一個(gè)干凈而快速的上升時(shí)間。這種技術(shù)為采樣門的乘法器IC提供了純凈、已校正幅度的on/off切換指令。適當(dāng)?shù)牟蓸娱T脈沖延遲設(shè)置意味著示波器在穩(wěn)定時(shí)間徹底結(jié)束前，不會看到任何輸入，從而消除了示波器過驅(qū)問題。通過調(diào)整采樣窗口的脈沖寬度，可以觀測到所有剩余的穩(wěn)定動作。這種方式下，示波器的輸出是可靠的，可以獲得有意義的數(shù)據(jù)。

　性能結(jié)果

　　電路的工作性能很好（圖6）。軌跡A是時(shí)間校正后的輸入脈沖，軌跡B是放大器的輸出，而軌跡C是采樣門的脈沖，軌跡D是穩(wěn)定時(shí)間的輸出。在說明波形的位置時(shí)，要注意軌跡B相對于時(shí)間校正后的軌跡A有時(shí)滯。這種時(shí)滯說明了軌跡B在軌跡A前的虛假動作。當(dāng)采樣門的脈沖升高時(shí)，采樣門作整齊的切換。您可以方便地觀測到放大器擺動的最后20 mV。另外還可以看到整個(gè)振鈴時(shí)間，以及放大器很好地穩(wěn)定到一個(gè)最終值。

　　當(dāng)采樣門的脈沖變低時(shí)，采樣門只需要2 mV的饋通就可關(guān)閉。任何時(shí)候都不會出現(xiàn)其它動作，永遠(yuǎn)不會使示波器過載。

　　可以通過調(diào)整示波器的垂直與水平刻度，使穩(wěn)定的細(xì)節(jié)更清楚（圖7）。穩(wěn)定時(shí)間的測量開始于經(jīng)時(shí)間校正的輸入脈沖。另外，穩(wěn)定信號幅度是針對放大器作校正，而不是穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)。這種方案消除了由穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電阻比所造成的歧義。軌跡A是經(jīng)時(shí)間校正的脈沖，而軌跡B則是穩(wěn)定的輸出。您可以很容易地觀測到最后50 mV的轉(zhuǎn)換。

　　對待測放大器反饋電容CF的優(yōu)化后，放大器可在9 ns內(nèi)，穩(wěn)定在5 mV（或0.1%）中（見附文1“對放大器補(bǔ)償?shù)膶?shí)際考慮”）。

　　將采樣窗口或放大器轉(zhuǎn)換向后調(diào)到最后50 mV，是一種好的做法。這個(gè)步驟使您能夠觀測到振鈴時(shí)間的起始，而不會造成示波器的過驅(qū)?；诓蓸拥姆桨柑峁┝诉@種能力，并且它還是一種強(qiáng)大的測量工具。較慢的放大器可能需要擴(kuò)展的延遲、采樣窗口時(shí)間，或兩者?？梢栽?strong>脈沖發(fā)生器的延遲時(shí)序網(wǎng)絡(luò)中采用較高值電容，滿足這些需求。

　　驗(yàn)證結(jié)果

　　基于采樣的穩(wěn)定時(shí)間電路看似是一種有用的測量方案。確保信心的一個(gè)好方式是用一種替代方法做相同的測量，看結(jié)果是否相符。

　　經(jīng)典的采樣示波器本身就能抑制過驅(qū)?？梢岳眠@種特性，嘗試在箝位的穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)處直接測量穩(wěn)定時(shí)間（圖8）。電路通過4S1垂直和5T3時(shí)序插件，給了一臺Tektronix 661型示波器很大的過驅(qū)，但該儀器明顯能抵御這個(gè)損害（圖9）。軌跡A是經(jīng)時(shí)間校正的輸入脈沖，而軌跡B是穩(wěn)定信號。雖然有野蠻的過驅(qū)，但示波器響應(yīng)明確，給出了一個(gè)合理的穩(wěn)定信號。

　　可以目視對結(jié)果作比較（圖9與圖10）。理想情況下，如果兩個(gè)方案都有很好的測量技術(shù)，并且正確地構(gòu)建，結(jié)果應(yīng)該是一樣的。如果是這種情況，則兩種方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均有很高的有效概率。兩種測量方法確定顯示有近乎一致的穩(wěn)定時(shí)間，以及高度類似的穩(wěn)定波形標(biāo)志。這種一致性為測量結(jié)果提供了高度的可靠性。噪聲背景與信號饋通都有2mV的幅度分辨率限制。時(shí)間分辨率的極限對5mV的穩(wěn)定約為2ns。