寬帶放大器穩定時(shí)間的測量

寬帶放大器用于儀表、波形合成、數據采集，以及反饋控制系統。為保證這類(lèi)系統的穩定設計，必須驗證高速下的精密運算。這一要求帶來(lái)了困難的測量挑戰。寬帶運放具有0.2 mV的偏壓直流精度，增益帶寬為400 MHz，轉換速率為2500V/μs（參考文獻1）。IC設計者要在快速轉換速率與短振鈴時(shí)間之間作出權衡?？焖俎D換放大器一般會(huì )延長(cháng)振鈴時(shí)間。這種組合使選擇放大器和頻率補償工作更加復雜化（見(jiàn)附文1：“對放大器補償的實(shí)際考慮”）。另外，極快放大器的架構一般會(huì )導致折衷，這也會(huì )使直流誤差指標降級。

　　穩定時(shí)間的定義
驗證放大器直流規格是一件相對簡(jiǎn)單的事。各種文獻都定義了要使用的測量技術(shù)。而要獲得可靠的交流規格，則需要采用更復雜的方法。無(wú)論何種速度下的測量都需要仔細小心。動(dòng)態(tài)測量尤其具有挑戰性，而放大器穩定時(shí)間也很難確定。穩定時(shí)間是從施加一個(gè)輸入，直到呈現輸出，并且在圍繞最終值的一個(gè)規定誤差帶內保持的延續時(shí)間。放大器廠(chǎng)商通常在滿(mǎn)量程轉換上設定這個(gè)規格。

　　穩定時(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。在轉換時(shí)間內，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中恢復出來(lái)，并在某個(gè)預定誤差帶內停止動(dòng)作的區間。對納秒級穩定時(shí)間的測量需要精細的方案和實(shí)驗技能。

　　穩定時(shí)間的傳統測量方式是用一個(gè)虛假匯總節點(diǎn)（false-sum-node）技巧（圖2）。電阻與放大器構成一個(gè)橋網(wǎng)絡(luò )。當驅動(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。在轉換周期內，幾只連接到穩定節點(diǎn)的二極管限制了電壓的偏移。當穩定發(fā)生時(shí)，示波器探頭電壓應為0V。電阻分壓器的衰減使探頭的輸出電壓等于穩定電壓的一半。

　　理論上，應可以觀(guān)察到此電路快速地穩定至小波幅。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)在所需測量極限內的平頂。一般情況下，對5V步長(cháng)，感興趣的穩定電壓小于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。您無(wú)法區分出發(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(zhù)探頭電容的增加，電阻結的AC負載也影響著(zhù)觀(guān)測到的穩定波形。1×的輸入電容過(guò)高，因此不適用這種測量。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)效應晶體管）探頭，則可以大大減輕這個(gè)問(wèn)題，但仍有更嚴重的問(wèn)題。

　　在放大器轉換期間，可以在穩定節點(diǎn)使用箝位二極管，降低電壓擺幅。這種方案的目標是防止電路對示波器輸入端的過(guò)驅動(dòng)。不幸的是，肖特基二極管上400 mV的壓降意味著(zhù)示波器要承受一個(gè)不可接受的過(guò)載。對不同型號和品牌的示波器，其過(guò)驅恢復特性有很大的差異，廠(chǎng)商通常并不給出它的規格。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?zhuān)虼穗y以獲得所需要的2.5 mV基準線(xiàn)。

　　用這種辦法，沒(méi)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定時(shí)間，就需要一種能以某種方式抑制過(guò)驅動(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)驅動(dòng)約束的現代數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(mǎi)到一些這類(lèi)二手的儀器，但它們的廠(chǎng)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換，而不是電壓?？刂埔粋€(gè)快速穩定的電流進(jìn)入放大器的匯總節點(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，以避免測量誤差。