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宽带放大器用于仪表、波形合成、数据采集,以及反馈控制系统。为保证这类系统的稳定设计,必须验证高速下的精密运算。这一要求带来了困难的测量挑战。宽带运放具有0.2mV的偏压直流精度,增益带宽为400MHz,转换速率为2500V/μs(参考文献1)。IC设计者要在快速转换速率与短振铃时间之间作出权衡。快速转换放大器一般会延长振铃时间。这种组合使选择放大器和频率补偿工作更加复杂化(见附文1:“对放大器补偿的实际考虑”)。另外,极快放大器的架构一般会导致折衷,这也会使直流误差指标降级。

稳定时间的定义

验证放大器直流规格是一件相对简单的事。各种文献都定义了要使用的测量技术。而要获得可靠的交流规格,则需要采用更复杂的方法。无论何种速度下的测量都需要仔细小心。动态测量尤其具有挑战性,而放大器稳定时间也很难确定。稳定时间是从施加一个输入,直到呈现输出,并且在围绕最终值的一个规定误差带内保持的延续时间。放大器厂商通常在满量程转换上设定这个规格。

稳定时间包含三个各异的成分(图1)。延迟时间较小,几乎完全来源于放大器的传播延迟。在这一期间,没有输出的动作。在转换时间内,放大器以最快的速度走向最终值。振铃时间定义的是放大器从回转中恢复出来,并在某个预定误差带内停止动作的区间。对纳秒级稳定时间的测量需要精细的方案和实验技能。

稳定时间的传统测量方式是用一个虚假汇总节点(false-sum-node)技巧(图2)。电阻与放大器构成一个桥网络。当驱动放大器的输入端时,如果电路采用的是理想电阻,则输出端会步进到输入电压。在转换周期内,几只连接到稳定节点的二极管限制了电压的偏移。当稳定发生时,示波器探头电压应为0V。电阻分压器的衰减使探头的输出电压等于稳定电压的一半。

理论上,应可以观察到此电路快速地稳定至小波幅。但实际上不可能依靠它作有用的测量。这个电路有几个缺点,包括要求输入脉冲有一个在所需测量极限内的平顶。一般情况下,对5V步长,感兴趣的稳定电压小于5mV。所有通用的脉冲发生器都不能将输出幅度和噪声保持在这些极限值内。您无法区分出发生器产生的误差和与放大器相关的误差。

示波器连接也会带来问题。随着探头电容的增加,电阻结的AC负载也影响着观测到的稳定波形。1×的输入电容过高,因此不适用这种测量。10×探头的衰减会损及示波器的增益,并且它10pF的输入电容仍然会在纳秒级速度下产生明显的滞后。如果使用一个有源的1×、1pFFET(场效应晶体管)探头,则可以大大减轻这个问题,但仍有更严重的问题。

在放大器转换期间,可以在稳定节点使用箝位二极管,降低电压摆幅。这种方案的目标是防止电路对示波器输入端的过驱动。不幸的是,肖特基二极管上400mV的压降意味着示波器要承受一个不可接受的过载。对不同型号和品牌的示波器,其过驱恢复特性有很大的差异,厂商通常并不给出它的规格。在0.1%分辨率时,示波器一般会在10mV/刻度时承受10倍的过驱,因此难以获得所需要的2.5mV基准线。

用这种办法,没有希望在纳米速度下进行测量。

因此,要测量宽带放大器的稳定时间,就需要一种能以某种方式抑制过驱动的示波器,以及一个平顶脉冲发生器。唯一提供固有过驱动抑制能力的示波器技术是经典的模拟采样示波器。不要将这些示波器与有过驱动约束的现代数字采样示波器相混淆。有些文章解释了经典采样示波器的工作原理。尽管可以买到一些这类二手的仪器,但它们的厂商已不再生产了。不过,您可以借鉴经典模拟采样示波技术的过载优点,自己做出一个电路。另外也可以使电路具备用作纳秒稳定时间测量的特性。

避免平顶脉冲发生器需求的方法是作电流转换,而不是电压。控制一个快速稳定的电流进入放大器的汇总节点,要比控制一个电压更容易。这种方案减轻了输入脉冲发生器的工作,不过仍然必须有约1ns的上升时间,以避免测量误差。

对采样门乘法器IC有严格的要求。它必须有准确的通带信号路径信息,而不会带入特殊的成分,尤其是对那些源于提供采样门脉冲的开关指令通道。FET或采样二极管桥可能是采样的常见选择。但FET有寄生的栅极-通道间电容,会在信号路径中产生较大的栅极驱动馈通。在几乎所有FET中,这种馈通多数时候都大于观测的信号,会带来示波器过载,掩盖了开关的作用。二极管桥好一些;消除它的小寄生电容较简单,并且其对称的差分结构可获得低的馈通。但是,桥需要作DC和AC修整,还要复杂的驱动与支持电路。

为避免这些问题,采样门乘法器IC用作一个有低馈通的宽带高分辨率开关。这种方案最大的优点就是可以将开关控制通道保持在带内。转换速率保持在乘法器IC的250MHz通带内门开关。乘法器宽的带宽意味着总能控制开关指令的转换,不存在带外的响应,这大大减少了馈通和寄生效应。

稳定时间的电路

你可以通过一个反相器A的延迟网络与一个由类似反相器C构成的驱动级,用输入脉冲切换输入桥(图5)。延迟补偿了采样门控脉冲发生器的延迟响应。这一步确保了在放大器待测转换时间结束后,立即出现采样门的脉冲。延迟范围的选择使采样门脉冲可以出现在放大器转换前。这种性能在正常工作时是没有用的,虽然它可以保证你总能捕捉到稳定间隔。

当采样门的脉冲变低时,采样门只需要2mV的馈通就可关闭。任何时候都不会出现其它动作,永远不会使示波器过载。

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