使用采样保持技术实现运算放大器建立时间测定

引言
 

现代高速运算放大器 (op amps) 的建立时间都为几纳秒左右。这个时间是如此的短暂。因此，要想在某个合理误差范围内对其进行测定，不仅仅对自动测试设备（ATE）是一个难题，即使在工作台上也难以完成。今天的运算放大器产品说明书中，常常以模拟值的形式给出产品的建立时间数据，原因是在工作台上对其进行测试需要安装更多硬件设备，而这会增加测定的成本和难度。传统的高速示波器仅有一个10比特模数转换器，限制了测量分辨率（最大0.1%）。
 

本文将介绍一种新方法，其经过证明可以有效地完成这些测量工作。它是一种相对低成本、简单的建立时间测量方法。这种方法把准确性和精确度建立在波形生成器和采样保持电路的相对速度上。
受测器件的步进输入
 

本文中，建立时间是指使用某个理想步进输入，到受测器件（DUT）进入并维持在某个规定误差范围（终值对称）内的时间。理想步进输入很容易在模拟中产生得到，但在实验室中却没有能够产生理想步进波形的仪器设备。即使在理想条件下，过阻尼和高阻尼仪器的输出可能需要一些RC时间常量，以单调地稳定在0.1%终值范围以内。
 

对于一些欠阻尼系统而言，步进波形会超出终值，并且可能会出现振铃。实际上，即使是高阻尼系统也会有欠阻尼现象。一般而言，步进波形下降越快，过冲和振铃也就越多。之后，这种非理想状况传播至受测器件的测量输出波形。幸运的是，利用计算机日志记录输入和输出数据，通过排列这两种数据并用输出减去输入便可实现输出标准化（受测器件使用同相单位增益配置）。
平底脉冲生成器
 

波形生成器降沿用作受测器件的输入时，可以使用一个平底脉冲生成器（FBPG）来平整生成信号的低压电平。平底脉冲生成器将降电压钳制接地，代价是出现更大的过冲。这样便让测试工程师能够通过测试装置调节平衡实现一定程序的控制。同样，我们可以使用平顶脉冲生成器来平整高压电平。

图 1 显示了两个背靠背放置的高速齐纳二极管，每个二极管都有一个单独、可调节电源。一般原则是，按照如下顺序启动装置：调节R_supply，

获得D1/D2连接5V电压，然后调节V_generator输出电压，让其在2V高压和-5V低压之间摆动。这样便可在2V_pp高压电平和0V低压电平下对输出进行偏置。当V_generator为高时，D2关闭，D1开启。在此期间，输出电压成为D1正向电压（V_supply）的函数，同时也是流经R_supply和D1电流量的函数。当输入为低时，D1关闭，D2开启。在此期间，输出电压摆至接地电压，同时其转换速率与流入相应电阻器R3的电流大小成正比例关系。瞬态响应与二极管电容、反向恢复时间和正向恢复电压有关。

图 1 平底脉冲生成器 (FBPG)


 

由于二极管的非线性特性，需使用严密的方程式来计算DC电平和平底脉冲生成器瞬态响应。作为一种替代方法，也可以在软件（例如：德州仪器公司的TINA-TI™）中模拟这些方程式。假设脉冲生成器的速度非常快，则输出波形的降时间和过冲与二极管的速度和恢复时间有关，同时也与寄生电容和安装平底脉冲生成器的印刷电路板（PCB）的电感有关。换句话说，设计人员应该选择最快速、最健壮的二极管，并在将平底脉冲生成器用于高速波形生成时遵循优秀PCB布局原则。
建立时间测量的采样保持方法
 

就这里介绍的例子而言，我们选择使用TI的OPA615（见图2）来实现建立时间测量的采样保持（S/H）功能，这是因为：它拥有宽带运算跨导放大器（OTA），针对低输入偏置电流进行了优化；另外，它还拥有快速、精确的采样OTA（SOTA），其同时起到一个比较器和缓冲器的作用。当保持控制引脚为高时，通过SOTA在电容器（C_HOLD）上对模拟输入（V_IN）采样。当保持控制引脚变低时，C_HOLD电压在输出（V_OUT）端得到保持和反射。采样期间，C_HOLD电压被调节至输入实时电压电平。如果输入和C_HOLD之间的差异较大，并且采样时间仅为几纳秒，则要求高转换速率。保持期间，C_HOLD电压始终充电/放电，原因是其漏电流和OTA所需的偏置电流。电流反馈环路可确保SOTA转换速率足以捕获V_IN的正确电压电平。

图 2 采样保持（S/H）电路

 

图3显示了一个100kHz正弦波输入S/H输出的例子。我们可以使用一个波形生成器来产生受测器件的输入阶梯函数，并将S/H信号与该阶梯函数同步。S/H电路可用于捕获受测器件输出波形上的各个点。如果有一个与输出同步的标记输出，则任何任意波形生成器都有效，从而产生非常合适的保持控制信号。举例测试使用一个Tektronix AWG610，其拥有2.6 Gbps的采样时间和100 ps的最小标记步进，让它适用于大多数高速运算放大器建立时间的测量工作。
图 3 100kHz正弦波的举例1MHz S/H输出


 

图4描述了如何使用一个S/H电路捕获曲线上的各个点，而该S/H电路将标记用作保持控制信号。设计人员可以通过移动标记位置来捕获曲线上的连续各点。在记录完所有点以后，可将S/H曲线绘制出来进行分析。使用MATLAB^®或者LabVIEW™等软件对波形生成器编程，以此来改变标记和记录结果，是一种非常简单的方法。将标记设定在位置1后，S/H电路追踪标记为高时的V_IN电压电平，并在标记为低时保持该值。在位置1处，输出保持在1V。在位置2处，输出保持在0.2V。
图 4 AWG610输出的标记同步例子

图5显示了建立时间测量的测试装置，其使用AWG610和OPA615实现S/H功能。所有信号线路均为50Ω。波形生成器输出用作测试信号，并使用两个S/H电路：一个测量受测器件（OPA656）的输入，另一个测量受测器件的输出。数字万用表（DMM）用于记录各个保持值。

图 5 建立时间测量测试装置

 

例如，我们对100 ns的建立时间进行测量。假设波形生成器经过了编程，目的是不断输出50%占空比的方波，持续时间为200ns。标记最初被设定在波形生成器输出的降沿开端处。生成器持续工作（执行许多个采样和保持周期），而S/H电路对其输出电压求积分，以获得一个稳定的DC值。之后，由DMM记录该值，然后测试工程师将标记移至下一个位置，重复前面的周期，直到记录完100 ns的数据为止。
 

图6显示了使用图5所示测试装置所得结果的波形图。为了获得建立时间误差波形，对DC误差进行补偿，并对输出进行输入标准化。图7显示了所得结果。
图 6 运算放大器输入和输出阶跃波形


局限性与挑战

 

需要时刻谨记的是，这里介绍的测试装置存在一些局限性。如果有疑问，设计人员应始终使用下列方程式：

I = C_HOLD × dv/dt
使用该方程式时，应根据下列3个因素选择初始C_HOLD的大小：
1、保持期间，OTA偏置电流会流入或者流出电容器，从而影响保持电压的准确性。
2、由于电容器会因偏置电流而出现压降，应根据测量应达到的误差百分比选择三角接线电压。
3、增量时间为采样电压保持的时间，不能长于要测量的计划建立时间。

例如，下列条件下C_HOLD不能小于50 pF：OTA偏置电流为0.5 µA；欲达到1-V_PP信号0.1%以下的误差；要测量的时长为100 ns。

其他考虑因素
 

采样时间的长短会极大影响测量结果。保持期间，采样电容器电压始终会偏离于预计DC值，因为OTA要求偏置电流。之后，电压被再调节回到采样期间的预计DC值。因此，读取S/H电路输出的DMM必需使用这种三角波形的平均值。图8描述了这种现象。要想减小这种误差，需最小化保持时间，并最大化电容器尺寸。记住，采样电容器越大，充电电荷积分获得稳定DC值所需的S/H周期（积分时间）也就越多。

图 7 运算放大器标准化稳定误差

图 8 采样电容器的充电漏泄

 

当然，增加采样时间并不能缓解漏电问题。应使用最小采样时间，以保证SOTA保持时间延迟，并确保追踪S/H电路输入的同时有足够的时间采样电容器的充电/放电。图9显示了相同保持和积分时间使用不同采样时间时，所记录的运算放大器建立时间。这些结果均根据一个6GHz、10比特示波器的相同波形测量得到，其显示最大过冲为-60mV。使用20ns采样时间的测量结果与该示波器显示情况相匹配，但需对结果使用大滤波。相反，使用6ns的测量仅使用了小滤波，但产生了更大的过冲，其为测量中产生的人为现象。
图 9 不同采样时间测量得建立时间

结论
 

测量建立时间的方法有很多。本文为您介绍了一种简单但却准确的测量方法，它使用一个相对快速的波形生成器和一个S/H电路。了解这种方法存在的局限性以后，使用者便能够对所有测量参数进行必要的调整，从而获得给定时间范围和预计准确度的最佳结果。