使用采樣保持技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器建立時(shí)間測(cè)定

引言現(xiàn)代高速運(yùn)算放大器 (op amps) 的建立時(shí)間都為幾納秒左右。這個(gè)時(shí)間是如此的短暫。因此，要想在某個(gè)合理誤差范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，不僅僅對(duì)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）是一個(gè)難題，即使在工作臺(tái)上也難以完成。今天的運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書中，常常以模擬值的形式給出產(chǎn)品的建立時(shí)間數(shù)據(jù)，原因是在工作臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試需要安裝更多硬件設(shè)備，而這會(huì)增加測(cè)定的成本和難度。傳統(tǒng)的高速示波器僅有一個(gè)10比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器，限制了測(cè)量分辨率（最大0.1%）。本文將介紹一種新方法，其經(jīng)過(guò)證明可以有效地完成這些測(cè)量工作。它是一種相對(duì)低成本、簡(jiǎn)單的建立時(shí)間測(cè)量方法。這種方法把準(zhǔn)確性和精確度建立在波形生成器和采樣保持電路的相對(duì)速度上。受測(cè)器件的步進(jìn)輸入本文中，建立時(shí)間是指使用某個(gè)理想步進(jìn)輸入，到受測(cè)器件（DUT）進(jìn)入并維持在某個(gè)規(guī)定誤差范圍（終值對(duì)稱）內(nèi)的時(shí)間。理想步進(jìn)輸入很容易在模擬中產(chǎn)生得到，但在實(shí)驗(yàn)室中卻沒(méi)有能夠產(chǎn)生理想步進(jìn)波形的儀器設(shè)備。即使在理想條件下，過(guò)阻尼和高阻尼儀器的輸出可能需要一些RC時(shí)間常量，以單調(diào)地穩(wěn)定在0.1%終值范圍以內(nèi)。對(duì)于一些欠阻尼系統(tǒng)而言，步進(jìn)波形會(huì)超出終值，并且可能會(huì)出現(xiàn)振鈴。實(shí)際上，即使是高阻尼系統(tǒng)也會(huì)有欠阻尼現(xiàn)象。一般而言，步進(jìn)波形下降越快，過(guò)沖和振鈴也就越多。之后，這種非理想狀況傳播至受測(cè)器件的測(cè)量輸出波形。幸運(yùn)的是，利用計(jì)算機(jī)日志記錄輸入和輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)排列這兩種數(shù)據(jù)并用輸出減去輸入便可實(shí)現(xiàn)輸出標(biāo)準(zhǔn)化（受測(cè)器件使用同相單位增益配置）。平底脈沖生成器波形生成器降沿用作受測(cè)器件的輸入時(shí)，可以使用一個(gè)平底脈沖生成器（FBPG）來(lái)平整生成信號(hào)的低壓電平。平底脈沖生成器將降電壓鉗制接地，代價(jià)是出現(xiàn)更大的過(guò)沖。這樣便讓測(cè)試工程師能夠通過(guò)測(cè)試裝置調(diào)節(jié)平衡實(shí)現(xiàn)一定程序的控制。同樣，我們可以使用平頂脈沖生成器來(lái)平整高壓電平。圖 1 顯示了兩個(gè)背靠背放置的高速齊納二極管，每個(gè)二極管都有一個(gè)單獨(dú)、可調(diào)節(jié)電源。一般原則是，按照如下順序啟動(dòng)裝置：調(diào)節(jié)R_supply，獲得D1/D2連接5V電壓，然后調(diào)節(jié)V_generator輸出電壓，讓其在2V高壓和-5V低壓之間擺動(dòng)。這樣便可在2V_pp高壓電平和0V低壓電平下對(duì)輸出進(jìn)行偏置。當(dāng)V_generator為高時(shí)，D2關(guān)閉，D1開(kāi)啟。在此期間，輸出電壓成為D1正向電壓（V_supply）的函數(shù)，同時(shí)也是流經(jīng)R_supply和D1電流量的函數(shù)。當(dāng)輸入為低時(shí)，D1關(guān)閉，D2開(kāi)啟。在此期間，輸出電壓擺至接地電壓，同時(shí)其轉(zhuǎn)換速率與流入相應(yīng)電阻器R3的電流大小成正比例關(guān)系。瞬態(tài)響應(yīng)與二極管電容、反向恢復(fù)時(shí)間和正向恢復(fù)電壓有關(guān)。圖 1 平底脈沖生成器 (FBPG)由于二極管的非線性特性，需使用嚴(yán)密的方程式來(lái)計(jì)算DC電平和平底脈沖生成器瞬態(tài)響應(yīng)。作為一種替代方法，也可以在軟件（例如：德州儀器公司的TINA-TI™）中模擬這些方程式。假設(shè)脈沖生成器的速度非常快，則輸出波形的降時(shí)間和過(guò)沖與二極管的速度和恢復(fù)時(shí)間有關(guān)，同時(shí)也與寄生電容和安裝平底脈沖生成器的印刷電路板（PCB）的電感有關(guān)。換句話說(shuō)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇最快速、最健壯的二極管，并在將平底脈沖生成器用于高速波形生成時(shí)遵循優(yōu)秀PCB布局原則。建立時(shí)間測(cè)量的采樣保持方法就這里介紹的例子而言，我們選擇使用TI的OPA615（見(jiàn)圖2）來(lái)實(shí)現(xiàn)建立時(shí)間測(cè)量的采樣保持（S/H）功能，這是因?yàn)椋核鼡碛袑拵н\(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA），針對(duì)低輸入偏置電流進(jìn)行了優(yōu)化；另外，它還擁有快速、精確的采樣OTA（SOTA），其同時(shí)起到一個(gè)比較器和緩沖器的作用。當(dāng)保持控制引腳為高時(shí)，通過(guò)SOTA在電容器（C_HOLD）上對(duì)模擬輸入（V_IN）采樣。當(dāng)保持控制引腳變低時(shí)，C_HOLD電壓在輸出（V_OUT）端得到保持和反射。采樣期間，C_HOLD電壓被調(diào)節(jié)至輸入實(shí)時(shí)電壓電平。如果輸入和C_HOLD之間的差異較大，并且采樣時(shí)間僅為幾納秒，則要求高轉(zhuǎn)換速率。保持期間，C_HOLD電壓始終充電/放電，原因是其漏電流和OTA所需的偏置電流。電流反饋環(huán)路可確保SOTA轉(zhuǎn)換速率足以捕獲V_IN的正確電壓電平。圖 2 采樣保持（S/H）電路圖3顯示了一個(gè)100kHz正弦波輸入S/H輸出的例子。我們可以使用一個(gè)波形生成器來(lái)產(chǎn)生受測(cè)器件的輸入階梯函數(shù)，并將S/H信號(hào)與該階梯函數(shù)同步。S/H電路可用于捕獲受測(cè)器件輸出波形上的各個(gè)點(diǎn)。如果有一個(gè)與輸出同步的標(biāo)記輸出，則任何任意波形生成器都有效，從而產(chǎn)生非常合適的保持控制信號(hào)。舉例測(cè)試使用一個(gè)Tektronix AWG610，其擁有2.6 Gbps的采樣時(shí)間和100 ps的最小標(biāo)記步進(jìn)，讓它適用于大多數(shù)高速運(yùn)算放大器建立時(shí)間的測(cè)量工作。圖 3 100kHz正弦波的舉例1MHz S/H輸出圖4描述了如何使用一個(gè)S/H電路捕獲曲線上的各個(gè)點(diǎn)，而該S/H電路將標(biāo)記用作保持控制信號(hào)。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)移動(dòng)標(biāo)記位置來(lái)捕獲曲線上的連續(xù)各點(diǎn)。在記錄完所有點(diǎn)以后，可將S/H曲線繪制出來(lái)進(jìn)行分析。使用MATLAB^®或者LabVIEW™等軟件對(duì)波形生成器編程，以此來(lái)改變標(biāo)記和記錄結(jié)果，是一種非常簡(jiǎn)單的方法。將標(biāo)記設(shè)定在位置1后，S/H電路追蹤標(biāo)記為高時(shí)的V_IN電壓電平，并在標(biāo)記為低時(shí)保持該值。在位置1處，輸出保持在1V。在位置2處，輸出保持在0.2V。圖 4 AWG610輸出的標(biāo)記同步例子圖5顯示了建立時(shí)間測(cè)量的測(cè)試裝置，其使用AWG610和OPA615實(shí)現(xiàn)S/H功能。所有信號(hào)線路均為50Ω。波形生成器輸出用作測(cè)試信號(hào)，并使用兩個(gè)S/H電路：一個(gè)測(cè)量受測(cè)器件（OPA656）的輸入，另一個(gè)測(cè)量受測(cè)器件的輸出。數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）用于記錄各個(gè)保持值。圖 5 建立時(shí)間測(cè)量測(cè)試裝置例如，我們對(duì)100 ns的建立時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。假設(shè)波形生成器經(jīng)過(guò)了編程，目的是不斷輸出50%占空比的方波，持續(xù)時(shí)間為200ns。標(biāo)記最初被設(shè)定在波形生成器輸出的降沿開(kāi)端處。生成器持續(xù)工作（執(zhí)行許多個(gè)采樣和保持周期），而S/H電路對(duì)其輸出電壓求積分，以獲得一個(gè)穩(wěn)定的DC值。之后，由DMM記錄該值，然后測(cè)試工程師將標(biāo)記移至下一個(gè)位置，重復(fù)前面的周期，直到記錄完100 ns的數(shù)據(jù)為止。圖6顯示了使用圖5所示測(cè)試裝置所得結(jié)果的波形圖。為了獲得建立時(shí)間誤差波形，對(duì)DC誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)輸出進(jìn)行輸入標(biāo)準(zhǔn)化。圖7顯示了所得結(jié)果。圖 6 運(yùn)算放大器輸入和輸出階躍波形局限性與挑戰(zhàn)需要時(shí)刻謹(jǐn)記的是，這里介紹的測(cè)試裝置存在一些局限性。如果有疑問(wèn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終使用下列方程式：I = C_HOLD × dv/dt使用該方程式時(shí)，應(yīng)根據(jù)下列3個(gè)因素選擇初始C_HOLD的大小：1、保持期間，OTA偏置電流會(huì)流入或者流出電容器，從而影響保持電壓的準(zhǔn)確性。2、由于電容器會(huì)因偏置電流而出現(xiàn)壓降，應(yīng)根據(jù)測(cè)量應(yīng)達(dá)到的誤差百分比選擇三角接線電壓。3、增量時(shí)間為采樣電壓保持的時(shí)間，不能長(zhǎng)于要測(cè)量的計(jì)劃建立時(shí)間。例如，下列條件下C_HOLD不能小于50 pF：OTA偏置電流為0.5 µA；欲達(dá)到1-V_PP信號(hào)0.1%以下的誤差；要測(cè)量的時(shí)長(zhǎng)為100 ns。其他考慮因素采樣時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)極大影響測(cè)量結(jié)果。保持期間，采樣電容器電壓始終會(huì)偏離于預(yù)計(jì)DC值，因?yàn)镺TA要求偏置電流。之后，電壓被再調(diào)節(jié)回到采樣期間的預(yù)計(jì)DC值。因此，讀取S/H電路輸出的DMM必需使用這種三角波形的平均值。圖8描述了這種現(xiàn)象。要想減小這種誤差，需最小化保持時(shí)間，并最大化電容器尺寸。記住，采樣電容器越大，充電電荷積分獲得穩(wěn)定DC值所需的S/H周期（積分時(shí)間）也就越多。圖 7 運(yùn)算放大器標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定誤差圖 8 采樣電容器的充電漏泄當(dāng)然，增加采樣時(shí)間并不能緩解漏電問(wèn)題。應(yīng)使用最小采樣時(shí)間，以保證SOTA保持時(shí)間延遲，并確保追蹤S/H電路輸入的同時(shí)有足夠的時(shí)間采樣電容器的充電/放電。圖9顯示了相同保持和積分時(shí)間使用不同采樣時(shí)間時(shí)，所記錄的運(yùn)算放大器建立時(shí)間。這些結(jié)果均根據(jù)一個(gè)6GHz、10比特示波器的相同波形測(cè)量得到，其顯示最大過(guò)沖為-60mV。使用20ns采樣時(shí)間的測(cè)量結(jié)果與該示波器顯示情況相匹配，但需對(duì)結(jié)果使用大濾波。相反，使用6ns的測(cè)量?jī)H使用了小濾波，但產(chǎn)生了更大的過(guò)沖，其為測(cè)量中產(chǎn)生的人為現(xiàn)象。圖 9 不同采樣時(shí)間測(cè)量得建立時(shí)間結(jié)論測(cè)量建立時(shí)間的方法有很多。本文為您介紹了一種簡(jiǎn)單但卻準(zhǔn)確的測(cè)量方法，它使用一個(gè)相對(duì)快速的波形生成器和一個(gè)S/H電路。了解這種方法存在的局限性以后，使用者便能夠?qū)λ袦y(cè)量參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，從而獲得給定時(shí)間范圍和預(yù)計(jì)準(zhǔn)確度的最佳結(jié)果。

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