寬帶放大器穩(wěn)定時間的測量

1、寬帶放大器穩(wěn)定時間的測量寬帶放大器穩(wěn)定時間的測量類別：模擬技術(shù)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，必須驗證高速下的精密運算。這一要求帶來了困難的測量挑戰(zhàn)。寬帶運放具有0.2 mV的偏壓直流精度，增益帶寬為400 MHz，轉(zhuǎn)換速率為2500V/s（參考文獻(xiàn)1）。IC設(shè)計者要在快速轉(zhuǎn)換速率與短振鈴時間之間作出權(quán)衡?？焖俎D(zhuǎn)換放大器一般會延長振鈴時間。這種組合使選擇放大器和頻率補償工作更加復(fù)雜化（見附文1：“對放大器補償?shù)膶嶋H考慮”）。另外，極快放大器的架構(gòu)一般會導(dǎo)致折衷，這也會使直流誤差指標(biāo)降級。 穩(wěn)定時間的定義 驗證放大器直流規(guī)格是一件相對簡單的事。

2、各種文獻(xiàn)都定義了要使用的測量技術(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。無論何種速度下的測量都需要仔細(xì)小心。動態(tài)測量尤其具有挑戰(zhàn)性，而放大器穩(wěn)定時間也很難確定。穩(wěn)定時間是從施加一個輸入，直到呈現(xiàn)輸出，并且在圍繞最終值的一個規(guī)定誤差帶內(nèi)保持的延續(xù)時間。放大器廠商通常在滿量程轉(zhuǎn)換上設(shè)定這個規(guī)格。 穩(wěn)定時間包含三個各異的成分（圖1）。延遲時間較小，幾乎完全來源于放大器的傳播延遲。在這一期間，沒有輸出的動作。在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，放大器以最快的速度走向最終值。振鈴時間定義的是放大器從回轉(zhuǎn)中恢復(fù)出來，并在某個預(yù)定誤差帶內(nèi)停止動作的區(qū)間。對納秒級穩(wěn)定時間的測量需要精細(xì)的方案和實驗技能。 穩(wěn)定時間的傳統(tǒng)測

3、量方式是用一個虛假匯總節(jié)點（false-sum-node）技巧（圖2）。電阻與放大器構(gòu)成一個橋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)驅(qū)動放大器的輸入端時，如果電路采用的是理想電阻，則輸出端會步進(jìn)到輸入電壓。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，幾只連接到穩(wěn)定節(jié)點的二極管限制了電壓的偏移。當(dāng)穩(wěn)定發(fā)生時，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。但實際上不可能依靠它作有用的測量。這個電路有幾個缺點，包括要求輸入脈沖有一個在所需測量極限內(nèi)的平頂。一般情況下，對5V步長，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)。您無法區(qū)分出

4、發(fā)生器產(chǎn)生的誤差和與放大器相關(guān)的誤差。 示波器連接也會帶來問題。隨著探頭電容的增加，電阻結(jié)的AC負(fù)載也影響著觀測到的穩(wěn)定波形。1的輸入電容過高，因此不適用這種測量。10探頭的衰減會損及示波器的增益，并且它10 pF的輸入電容仍然會在納秒級速度下產(chǎn)生明顯的滯后。如果使用一個有源的1、1pF FET（場效應(yīng)晶體管）探頭，則可以大大減輕這個問題，但仍有更嚴(yán)重的問題。 在放大器轉(zhuǎn)換期間，可以在穩(wěn)定節(jié)點使用箝位二極管，降低電壓擺幅。這種方案的目標(biāo)是防止電路對示波器輸入端的過驅(qū)動。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不可接受的過載。對不同型號和品牌的示波器，其過驅(qū)恢復(fù)特性有很大

5、的差異，廠商通常并不給出它的規(guī)格。在0.1%分辨率時，示波器一般會在10 mV/刻度時承受10倍的過驅(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(wěn)定時間，就需要一種能以某種方式抑制過驅(qū)動的示波器，以及一個平頂脈沖發(fā)生器。唯一提供固有過驅(qū)動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驅(qū)動約束的現(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，您可以借鑒經(jīng)典模擬采樣示波技術(shù)的過載優(yōu)點，自己做出一個電路。另外也可以使電路具備用作納

6、秒穩(wěn)定時間測量的特性。 避免平頂脈沖發(fā)生器需求的方法是作電流轉(zhuǎn)換，而不是電壓?？刂埔粋€快速穩(wěn)定的電流進(jìn)入放大器的匯總節(jié)點，要比控制一個電壓更容易。這種方案減輕了輸入脈沖發(fā)生器的工作，不過仍然必須有約1ns的上升時間，以避免測量誤差。 實際測量 一個可以測量寬帶放大器穩(wěn)定時間的電路具有了經(jīng)典方法的特性，不過還表現(xiàn)出了某些新東西（圖3）。示波器通過一個開關(guān)連接到穩(wěn)定點。通過從輸入脈沖觸發(fā)一個延遲脈沖發(fā)生器，可確定開關(guān)的狀態(tài)。延遲脈沖發(fā)生器的時序安排是，穩(wěn)定接近完成時才閉合開關(guān)。用這種方式，可以從時間和波幅兩個方面采樣進(jìn)入的波形。示波器上沒有任何后臺動作；因此也不會出現(xiàn)示波器過驅(qū)動的問題。 開關(guān)是在

7、放大器的匯總節(jié)點上，用輸入脈沖控制。這個開關(guān)通過一個電壓驅(qū)動電阻，門控進(jìn)入放大器的電流。這種方案消除了對平頂脈沖發(fā)生器的需求，不過開關(guān)必須足夠快速，并且沒有驅(qū)動效應(yīng)。 要更詳細(xì)的話，可將延遲脈沖發(fā)生器分離成為一個延遲部分和一個脈沖發(fā)生器，從而可以分別改變它們（圖4）。示波器的輸入端有一部分用于補償穩(wěn)定時間測量路徑的傳播延遲。同樣，其它延遲也補償了采樣門的脈沖發(fā)生器傳播延遲。這個延遲產(chǎn)生了一個脈沖的相位提前版，它觸發(fā)待測放大器去驅(qū)動采樣門的脈沖發(fā)生器。這種方案做到了采樣門與脈沖發(fā)生器傳播延遲的無關(guān)性，從而改進(jìn)了最小可測安全時間。 圖4電路最突出的新東西是二極管橋開關(guān)以及乘法器IC。二極管橋與匹配

8、的低電容肖特基二極管與高速驅(qū)動相結(jié)合，得到明確的開關(guān)動作。這個橋快速地切換進(jìn)入放大器匯總點的電流，穩(wěn)定時間在1 ns內(nèi)。對地箝位的二極管可防止過高的橋驅(qū)動擺幅，保證沒有不理想的輸入脈沖特性。 對采樣門乘法器IC有嚴(yán)格的要求。它必須有準(zhǔn)確的通帶信號路徑信息，而不會帶入特殊的成分，尤其是對那些源于提供采樣門脈沖的開關(guān)指令通道。FET或采樣二極管橋可能是采樣門開關(guān)的常見選擇。但FET有寄生的柵極-通道間電容，會在信號路徑中產(chǎn)生較大的柵極驅(qū)動饋通。在幾乎所有FET中，這種饋通多數(shù)時候都大于觀測的信號，會帶來示波器過載，掩蓋了開關(guān)的作用。二極管橋好一些；消除它的小寄生電容較簡單，并且其對稱的差分結(jié)構(gòu)可獲

9、得低的饋通。但是，橋需要作DC和AC修整，還要復(fù)雜的驅(qū)動與支持電路。 為避免這些問題，采樣門乘法器IC用作一個有低饋通的寬帶高分辨率開關(guān)。這種方案最大的優(yōu)點就是可以將開關(guān)控制通道保持在帶內(nèi)。轉(zhuǎn)換速率保持在乘法器IC的250MHz通帶內(nèi)。乘法器寬的帶寬意味著總能控制開關(guān)指令的轉(zhuǎn)換，不存在帶外的響應(yīng)，這大大減少了饋通和寄生效應(yīng)。 穩(wěn)定時間的電路 你可以通過一個反相器A的延遲網(wǎng)絡(luò)與一個由類似反相器C構(gòu)成的驅(qū)動級，用輸入脈沖切換輸入橋（圖5）。延遲補償了采樣門控脈沖發(fā)生器的延遲響應(yīng)。這一步確保了在放大器待測轉(zhuǎn)換時間結(jié)束后，立即出現(xiàn)采樣門的脈沖。延遲范圍的選擇使采樣門脈沖可以出現(xiàn)在放大器轉(zhuǎn)換前。這種性能

10、在正常工作時是沒有用的，雖然它可以保證你總能捕捉到穩(wěn)定間隔。 C反相器構(gòu)成了一個非反相驅(qū)動級，用于二極管橋的切換。通過各種調(diào)整，可以優(yōu)化驅(qū)動器的輸出脈沖形態(tài)（見附文2“穩(wěn)定時間電路的修正過程”）。這種方案為二極管橋提供了一個干凈而快速的脈沖。高保真的脈沖不會有無阻尼的成分。它能防止產(chǎn)生輻射和破壞性的地電流，避免降低測量噪聲背景的等級。驅(qū)動器還激活B反相器，它為示波器提供一個時間相關(guān)的輸入級。 驅(qū)動器的輸出脈沖通過1N5712二極管箝位的正向壓降，以不到1ns的時間轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換使二極管橋產(chǎn)生了一個幾乎瞬時的切換。干凈的穩(wěn)定電流進(jìn)入放大器待測匯總點，產(chǎn)生了一個成比例的放大器輸出動作。用一只拉至-

11、5V的1k電阻，為放大器的匯總點建立一個負(fù)偏流。該電流與輸入電流級相結(jié)合，產(chǎn)生一個-2.5V?+2.5V的放大器輸出轉(zhuǎn)換。這個放大器輸出再送至一個偏置在5V的分壓器。調(diào)整電位器至一個標(biāo)稱500值，使得當(dāng)待測放大器轉(zhuǎn)換到-2.5V時，由兩只肖特基二極管箝位的結(jié)點電壓轉(zhuǎn)換為0V。緩沖放大器卸載這個箝位穩(wěn)定結(jié)點，為AD835乘法器IC提供穩(wěn)定時間信號。 進(jìn)入乘法器IC的其它信號路徑使用一只20k的電位器，設(shè)定輸入脈沖的延遲時間。這個電位器饋送至三個比較器，用一只2k電位器設(shè)定延遲脈沖寬度。這一步設(shè)定了采樣門的導(dǎo)通時間。Q1級使采樣門的脈沖成為一個干凈而快速的上升時間。這種技術(shù)為采樣門的乘法器IC提供

12、了純凈、已校正幅度的on/off切換指令。適當(dāng)?shù)牟蓸娱T脈沖延遲設(shè)置意味著示波器在穩(wěn)定時間徹底結(jié)束前，不會看到任何輸入，從而消除了示波器過驅(qū)問題。通過調(diào)整采樣窗口的脈沖寬度，可以觀測到所有剩余的穩(wěn)定動作。這種方式下，示波器的輸出是可靠的，可以獲得有意義的數(shù)據(jù)。 性能結(jié)果 電路的工作性能很好（圖6）。軌跡A是時間校正后的輸入脈沖，軌跡B是放大器的輸出，而軌跡C是采樣門的脈沖，軌跡D是穩(wěn)定時間的輸出。在說明波形的位置時，要注意軌跡B相對于時間校正后的軌跡A有時滯。這種時滯說明了軌跡B在軌跡A前的虛假動作。當(dāng)采樣門的脈沖升高時，采樣門作整齊的切換。您可以方便地觀測到放大器擺動的最后20 mV。另外還可

13、以看到整個振鈴時間，以及放大器很好地穩(wěn)定到一個最終值。 當(dāng)采樣門的脈沖變低時，采樣門只需要2 mV的饋通就可關(guān)閉。任何時候都不會出現(xiàn)其它動作，永遠(yuǎn)不會使示波器過載。 可以通過調(diào)整示波器的垂直與水平刻度，使穩(wěn)定的細(xì)節(jié)更清楚（圖7）。穩(wěn)定時間的測量開始于經(jīng)時間校正的輸入脈沖。另外，穩(wěn)定信號幅度是針對放大器作校正，而不是穩(wěn)定節(jié)點。這種方案消除了由穩(wěn)定節(jié)點電阻比所造成的歧義。軌跡A是經(jīng)時間校正的脈沖，而軌跡B則是穩(wěn)定的輸出。您可以很容易地觀測到最后50 mV的轉(zhuǎn)換。 對待測放大器反饋電容CF的優(yōu)化后，放大器可在9 ns內(nèi)，穩(wěn)定在5 mV（或0.1%）中（見附文1“對放大器補償?shù)膶嶋H考慮”）。 將采樣窗

14、口或放大器轉(zhuǎn)換向后調(diào)到最后50 mV，是一種好的做法。這個步驟使您能夠觀測到振鈴時間的起始，而不會造成示波器的過驅(qū)?；诓蓸拥姆桨柑峁┝诉@種能力，并且它還是一種強大的測量工具。較慢的放大器可能需要擴展的延遲、采樣窗口時間，或兩者?？梢栽诿}沖發(fā)生器的延遲時序網(wǎng)絡(luò)中采用較高值電容，滿足這些需求。 驗證結(jié)果 基于采樣的穩(wěn)定時間電路看似是一種有用的測量方案。確保信心的一個好方式是用一種替代方法做相同的測量，看結(jié)果是否相符。 經(jīng)典的采樣示波器本身就能抑制過驅(qū)?？梢岳眠@種特性，嘗試在箝位的穩(wěn)定節(jié)點處直接測量穩(wěn)定時間（圖8）。電路通過4S1垂直插件和5T3時序插件，給了一臺Tektronix 661型示波器很大的過驅(qū)，但該儀器明顯能抵御這個損害（圖9）。軌跡A是經(jīng)時間校正的輸入脈沖，而軌跡B