【導讀】放大器或任何信號鏈的建立時間都定義為輸出信號響應輸入階躍信號，并保持在最終值附近的確定誤差帶內(nèi)所需的時間，參照輸入脈沖50%點測得，如圖1所示。
圖1.建立時間。
● 誤差帶通常定義為步長百分比；例如，1%、0.5%、0.1%等。
● 建立時間常常是非線性的；相比建立到0.1%所需的時間，建立到0.01%所需的時間可能要高出30倍。
● 制造商往往選擇使運算放大器看似性能優(yōu)良的誤差帶。
和數(shù)模轉換器(DAC)不同，運算放大器沒有明顯的誤差帶；DAC本身具有1 LSB的誤差帶，或者可能為±1 LSB。除了步長（1 V、5 V、10 V等）等定義外，還必須選擇并定義一個適當?shù)恼`差帶。誤差帶的選擇將取決于運算放大器的性能，但由于所選數(shù)值因器件而異，常常很難進行比較。放大器設置并不像簡單的單極點RC系統(tǒng)那樣簡單，而且還可能涉及很多不同的時間常數(shù)。例如早期采用介質隔離(DI)工藝的運算放大器。這些器件建立至滿量程的1%很快，但建立至0.1%卻很慢。同樣，由于存在熱效應，一些極高精度的運算放大器雖然可在幾微秒內(nèi)建立至0.025%，但建立至0.001%或更高水平卻需要幾十毫秒。
還有一點需要注意，熱效應在短期建立時間（通常以納秒為單位）和長期建立時間（通常以微秒或毫秒為單位）之間有很大的不同。在許多交流應用中，長期建立時間并不重要，但如果在直流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，必須采用與短期建立時間截然不同的時標來測量。
測量建立時間
實現(xiàn)高精度快速建立時間測量非常困難。為了產(chǎn)生快速、高精度、低噪聲的平頂脈沖，必須格外小心。輸入調(diào)整設置為高靈敏度時，大幅度階躍電壓會使許多示波器前端過驅。
材料
● ADALM2000主動學習模塊
● 無焊面包板和跳線套件
● 兩個10 kΩ電阻
● 一個10 kΩ電位計
● 兩個肖特基二極管（可以使用ADALP2000 模擬部件套件中提供的1N914肖特基二極管，但效果不佳）
● 一個OP27運算放大器
● 一個OP37運算放大器
● 一個OP97緩慢建立放大器
● 2個0.1 μF電容（用于Vp和Vn電源的去耦）
指導
如圖2所示構建測試設置。注意Vn、Vp電源需要做去耦處理，需要在運算放大器電源引腳（引腳7為+5 V，引腳4為–5 V）增加0.1μF的電容。這種配置可用于測量反相模式下工作的運算放大器的建立時間（例如本設置）。偽求和節(jié)點（電位計的游標）的信號代表輸出和輸入信號之間的差值乘以常數(shù)k；即誤差信號。
圖2.用偽求和節(jié)點測量建立時間。
為了使測試設置可靠工作，必須考慮很多細節(jié)。電阻值必須較低以盡量減小寄生時間常數(shù)。背對背肖特基二極管箝位D1和D2有助于防止示波器過驅，從而實現(xiàn)高垂直靈敏度設置。部件套件中提供的1N914型普通二極管將箝位在更高的電壓，并且由于電容比肖特基二極管高，因此可能會存儲更多電荷，當R1 = R2 = 10 kΩ時，k = 0.5。采用1 V輸入步長時，1%建立時間的誤差輸出端誤差帶為5 mV。/p>
硬件設置
波形發(fā)生器1配置為60 kHz方波，峰峰值幅度為1 V，偏移為0 V。示波器通道1用于監(jiān)控輸入方波，并設置為500 mV/div，用作觸發(fā)源。示波器通道2用于交替測量運算放大器輸出V2，以及電位計游標的誤差信號。觀察放大器的輸出時，通道2應設置為500 mV/div，但觀察誤差信號時，應設置為更高靈敏感度的100 mV/div量程。
圖3.運算放大器建立時間面包板電路。
程序步驟
首先，使用模擬部件套件中的OP27放大器進行測量。電位計應事先設置在其調(diào)節(jié)范圍的中心附近并進行微調(diào)，使信號兩半的平坦部分幾乎相等并以0 V為中心（見圖4）。將顯示上升和下降輸入階躍建立時間的誤差波形導出，可用于實驗報告中。也可將OP27的示波器通道2誤差波形存儲為參考波形(REF1)，以便之后與其他放大器的建立響應作比較。
接下來，使用部件套件中的OP37放大器替換OP27放大器。同樣，將顯示上升和下降輸入階躍建立時間的誤差波形導出，可用于實驗報告中。用保存的OP27參考波形疊加在OP37建立波形上。比較每個波形的建立時間和通用特性。應將OP37的誤差波形存儲為參考波形(REF2)供以后比較。
接下來，使用部件套件中的OP37放大器替換OP27放大器。同樣，將顯示上升和下降輸入階躍建立時間的誤差波形導出，可用于實驗報告中。用保存的OP27參考波形疊加在OP37建立波形上。比較每個波形的建立時間和通用特性。應將OP37的誤差波形存儲為參考波形(REF2)供以后比較。
圖4.建立波形示例。
問題
● 更快的放大器會顯示響鈴建立特性?？商砑幽男╇娐方M件來消除振鈴（也許會花費較長的建立時間）？
● 嘗試使用低阻值R1和R2（例如1 kΩ），并使用低值電位計（5 kΩ或更低）。這使建立波形有何變化（如有）？
您可以在學子專區(qū)博客上找到問題答案。
建立時間測量的其他背景
在某些情況下，可能還需要在偽求和節(jié)點后使用第二個（極快）放大器級來增加誤差信號電平。許多現(xiàn)代數(shù)字示波器（如ADALM2000模塊）對輸入過驅不那么敏感，可以直接用來測量誤差波形。但必須仔細查看示波器操作手冊進行確認。注意，直接測量允許在反相和同相模式下測量建立時間。圖4所示為OP27和OP97運算放大器平坦脈沖輸入的輸出階躍響應示例。請注意，OP27的1%建立時間約為2.8 μs，OP97的1%建立時間約為4.2 μs。
進行這種建立時間測量時，還必須采用能夠產(chǎn)生具有快速上升和下降時間以及足夠平坦度脈沖的脈沖源。換言之，如果受測運算放大器的0.1%建立時間為20 ns，施加的脈沖必須在5 ns內(nèi)建立至少0.05%。這超出了ADALM2000模塊中內(nèi)置AWG信號源的能力。
這種信號源十分昂貴，但是，采用圖5所示的簡單電路，配合較為平坦的發(fā)生器，也可以確保提供平坦脈沖輸出。
圖5.簡單的平坦脈沖發(fā)生器
如果D1、D2和D3采用低電容肖特基二極管，并且盡可能縮短所有連接的線長，圖5中所示的電路同樣可以獲得滿意的效果。可以采用長度較短的50 Ω同軸電纜將脈沖發(fā)生器連接至電路，但是如果測試夾具直接連接至發(fā)生器的輸出端，測試結果最好。調(diào)整脈沖發(fā)生器使其在A（見圖5）處輸出趨正脈沖，該脈沖在不到5 ns時間內(nèi)從約–1.8 V上升至+0.5 V（假定測試器件的建立時間約20 ns）。較短的上升時間可能會產(chǎn)生振鈴，較長的上升時間則會降低測試器件的建立時間性能；因此，實際電路需要進行一些優(yōu)化，以獲得最佳性能。脈沖發(fā)生器輸出A到達0 V以上時，D1開始導通，D2/D3則反向偏置。忽略D2-D3串聯(lián)組合的漏電流和雜散電容的情況下，受測器件輸入端信號B的0 V區(qū)域是平坦的。在A處脈沖為正值期間，D1二極管及其100 Ω電阻有助于維持大約50 Ω的端接。
推薦閱讀：
