寬帶放大器穩(wěn)定時(shí)間的測(cè)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(lái)了困難的測(cè)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?？焖俎D(zhuǎn)換放大器一般會(huì)延長(zhǎng)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(duì)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(huì)導(dǎo)致折衷，這也會(huì)使直流誤差指標(biāo)降級(jí)。

　　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(duì)簡(jiǎn)單的事。各種文獻(xiàn)都定義了要使用的測(cè)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(wú)論何種速度下的測(cè)量都需要仔細(xì)小心。動(dòng)態(tài)測(cè)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(lái)源于放大器的傳播延遲。在這一期間，沒(méi)有輸出的動(dòng)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(lái)，并在某個(gè)預(yù)定誤差帶內(nèi)停止動(dòng)作的區(qū)間。對(duì)納秒級(jí)穩(wěn)定時(shí)間的測(cè)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(cè)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(dòng)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(huì)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(cè)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(cè)量極限內(nèi)的平頂。一般情況下，對(duì)5V步長(zhǎng)，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(wú)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(huì)帶來(lái)問(wèn)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(cè)到的穩(wěn)定波形。1×的輸入電容過(guò)高，因此不適用這種測(cè)量。10×探頭的衰減會(huì)損及示波器的增益，并且它10 pF的輸入電容仍然會(huì)在納秒級(jí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管）探頭，則可以大大減輕這個(gè)問(wèn)題，但仍有更嚴(yán)重的問(wèn)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(duì)示波器輸入端的過(guò)驅(qū)動(dòng)。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(guò)載。對(duì)不同型號(hào)和品牌的示波器，其過(guò)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(huì)在10 mV/刻度時(shí)承受10倍的過(guò)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(méi)有希望在納米速度下進(jìn)行測(cè)量。

　　因此，要測(cè)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(guò)驅(qū)動(dòng)的示波器，以及一個(gè)平頂脈沖發(fā)生器。唯一提供固有過(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)，您可以借鑒經(jīng)典模擬采樣示波技術(shù)的過(guò)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(cè)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(guò)仍然必須有約1ns的上升時(shí)間，以避免測(cè)量誤差。