問：為什么建立時(shí)間很重要？

A：運(yùn)算放大器建立時(shí)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(shí)現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算放大器輸出必須在A/D轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確數(shù)字化數(shù)據(jù)之前建立。然而，建立時(shí)間通常不是一個(gè)容易測(cè)量的參數(shù)。

多年來，用于測(cè)量運(yùn)算放大器建立時(shí)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(yùn)算放大器在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的精度，對(duì)測(cè)試設(shè)備、其設(shè)計(jì)人員和用戶提出了更高的要求。一個(gè)主要難題，通常會(huì)導(dǎo)致工程師之間的分歧，是技術(shù)和設(shè)備的某種組合實(shí)際測(cè)量被測(cè)設(shè)備（DUT），還是只是測(cè)試設(shè)置的某些限制屬性。因此，不斷開發(fā)新的測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，以努力指定這個(gè)要求越來越高的參數(shù)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，運(yùn)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(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng) 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(yùn)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(gè)部分的一半 （0.01%）。對(duì) 14 位及更高要求更加苛刻。建立時(shí)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(hào)范圍會(huì)增加LSB的尺寸，從而在一定程度上緩解問題，但對(duì)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(duì)于具有10 V滿量程信號(hào)的1位系統(tǒng)，LSB約為1 mV。對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。隨著新運(yùn)算放大器（例如AD9631和AD9632）的建立時(shí)間降至20 ns至10 ns范圍，建立時(shí)間的測(cè)量提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

Q. 如何測(cè)量建立時(shí)間？

A：多年來的一個(gè)關(guān)鍵要求是需要使用快速、精確的信號(hào)源（通常稱為平頂發(fā)生器）來驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的輸入。顧名思義，這樣的發(fā)生器在兩個(gè)已知振幅水平之間會(huì)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(cè)量時(shí)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(cè)量的誤差明顯平坦。

需要很高的精度才能確定運(yùn)算放大器的任何輸出信號(hào)完全是由于它的建立響應(yīng)，而不是它對(duì)階躍轉(zhuǎn)換后輸入端存在的信號(hào)的響應(yīng)。該信號(hào)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(jī)在實(shí)踐中很難開發(fā)。一種相當(dāng)“低技術(shù)”的設(shè)備已經(jīng)使用了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(rùn)濕觸點(diǎn)繼電器的觸點(diǎn)開口可用于產(chǎn)生相當(dāng)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(jiǎn)單電路。對(duì)于負(fù)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(dāng)繼電器斷開時(shí)，輸入節(jié)點(diǎn)迅速放電至地，從而產(chǎn)生輸入轉(zhuǎn)換。開路繼電器觸點(diǎn)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(gè)問題：直接測(cè)量輸出需要處理較大的動(dòng)態(tài)范圍。如果將DUT配置為逆變器，則可以創(chuàng)建一個(gè)減法器電路，該電路僅查看誤差信號(hào)，而不必處理輸出的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。圖中所示電路用于測(cè)量AD16的797位建立時(shí)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(gè)“假”求和節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將在放大器的求和節(jié)點(diǎn)上復(fù)制信號(hào)。100-Ω電位計(jì)用于將直流電壓調(diào)零。電位計(jì)的游標(biāo)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(duì)于測(cè)量A1并不重要。因此，可以測(cè)量A2的輸出以找到A1的建立時(shí)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(jì)的設(shè)置將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生更大的影響。

問：還有其他技術(shù)嗎？

A：另一種測(cè)量建立時(shí)間的技術(shù)使用數(shù)字示波器的計(jì)算能力。它計(jì)算一個(gè)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(hào)之間的瞬時(shí)差值，并將其與理想建立器件的值進(jìn)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(jì)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(bǔ)償本身具有低頻穩(wěn)定尾的信號(hào)發(fā)生器。DUT對(duì)低頻輸入的響應(yīng)不會(huì)受到該建立時(shí)間的影響。

由于此類示波器主要針對(duì)速度而設(shè)計(jì)，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(duì)多個(gè)周期進(jìn)行平均，以提高測(cè)量的有效分辨率。

問：還有嗎？

A：然而，測(cè)量建立時(shí)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(dá) 5 V 的信號(hào)，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(jìn)行重復(fù)采樣。每個(gè)采樣點(diǎn)的波形一次由一位組成。因此，獲得沉降特性可能非常耗時(shí)。當(dāng)使用具有1kHz高頻率的繼電器式平頂發(fā)生器時(shí)尤其如此。

Q. 為什么數(shù)據(jù)手冊(cè)有時(shí)會(huì)定義短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定特性？

一個(gè)。建立時(shí)間的傳統(tǒng)定義是從輸入轉(zhuǎn)換到放大器輸出進(jìn)入指定誤差區(qū)并且不再離開的時(shí)間。這個(gè)概念相對(duì)簡(jiǎn)單明了。但是，在某些情況下，初始建立速度很快，然后長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。

當(dāng)運(yùn)算放大器內(nèi)的電壓電平變化由階躍轉(zhuǎn)換引起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晶體管之間的溫度梯度。匹配的晶體管在暫時(shí)不同的溫度下無法很好地跟蹤。芯片的熱時(shí)間常數(shù)決定了平衡恢復(fù)所需的時(shí)間。運(yùn)算放大器旨在通過仔細(xì)放置器件和產(chǎn)生熱對(duì)稱的策略來防止或減少這些影響，但對(duì)于低電平高精度器件來說，這比為高速設(shè)計(jì)的器件更容易，因?yàn)闀?huì)發(fā)生大而快速的功率擺動(dòng)。

特別是，新的介電隔離工藝（如XFCB）在提高運(yùn)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?yàn)樵撨^程為每個(gè)晶體管提供了一個(gè)單獨(dú)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(zhǎng)尾的嚴(yán)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(shí)間兼容的速率采樣，并且不會(huì)受到長(zhǎng)期漂移的嚴(yán)重影響。通信系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)換信號(hào)的頻域特性是最重要的，是此類系統(tǒng)的例子。雖然長(zhǎng)期建立誤差會(huì)導(dǎo)致增益和失調(diào)的變化，但長(zhǎng)期熱尾對(duì)數(shù)字化信號(hào)失真產(chǎn)物的貢獻(xiàn)最小。對(duì)于這些系統(tǒng)，頻域測(cè)量（如失真產(chǎn)物）比建立時(shí)間等時(shí)域測(cè)量更重要。

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

下圖顯示了AD8036的長(zhǎng)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(dòng)器。左圖顯示，在最初的大轉(zhuǎn)換之后，輸出仍比其長(zhǎng)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(jìn)入局部0.01%短期建立區(qū)域，某些系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行有效采樣。AD8036的失真極低（負(fù)載2 Ω時(shí)，二次和三次諧波下降3 dB以上），因此非常適合對(duì)這種性能至關(guān)重要的系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷