【導(dǎo)讀】放大器或任何信號(hào)鏈的建立時(shí)間都定義為輸出信號(hào)響應(yīng)輸入階躍信號(hào)，并保持在最終值附近的確定誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間，參照輸入脈沖50%點(diǎn)測(cè)得，如圖1所示。
圖1.建立時(shí)間。
● 誤差帶通常定義為步長(zhǎng)百分比；例如，1%、0.5%、0.1%等。
● 建立時(shí)間常常是非線性的；相比建立到0.1%所需的時(shí)間，建立到0.01%所需的時(shí)間可能要高出30倍。
● 制造商往往選擇使運(yùn)算放大器看似性能優(yōu)良的誤差帶。
和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)不同，運(yùn)算放大器沒(méi)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(zhǎng)（1 V、5 V、10 V等）等定義外，還必須選擇并定義一個(gè)適當(dāng)?shù)恼`差帶。誤差帶的選擇將取決于運(yùn)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(jìn)行比較。放大器設(shè)置并不像簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)RC系統(tǒng)那樣簡(jiǎn)單，而且還可能涉及很多不同的時(shí)間常數(shù)。例如早期采用介質(zhì)隔離(DI)工藝的運(yùn)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(yīng)，一些極高精度的運(yùn)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(diǎn)需要注意，熱效應(yīng)在短期建立時(shí)間（通常以納秒為單位）和長(zhǎng)期建立時(shí)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(yīng)用中，長(zhǎng)期建立時(shí)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(shí)間截然不同的時(shí)標(biāo)來(lái)測(cè)量。
測(cè)量建立時(shí)間
實(shí)現(xiàn)高精度快速建立時(shí)間測(cè)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(shè)置為高靈敏度時(shí)，大幅度階躍電壓會(huì)使許多示波器前端過(guò)驅(qū)。
材料
● ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無(wú)焊面包板和跳線套件
● 兩個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)10 kΩ電位計(jì)
● 兩個(gè)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(gè)OP27運(yùn)算放大器
● 一個(gè)OP37運(yùn)算放大器
● 一個(gè)OP97緩慢建立放大器
● 2個(gè)0.1 μF電容（用于Vp和Vn電源的去耦）
指導(dǎo)
如圖2所示構(gòu)建測(cè)試設(shè)置。注意Vn、Vp電源需要做去耦處理，需要在運(yùn)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(cè)量反相模式下工作的運(yùn)算放大器的建立時(shí)間（例如本設(shè)置）。偽求和節(jié)點(diǎn)（電位計(jì)的游標(biāo)）的信號(hào)代表輸出和輸入信號(hào)之間的差值乘以常數(shù)k；即誤差信號(hào)。
圖2.用偽求和節(jié)點(diǎn)測(cè)量建立時(shí)間。
為了使測(cè)試設(shè)置可靠工作，必須考慮很多細(xì)節(jié)。電阻值必須較低以盡量減小寄生時(shí)間常數(shù)。背對(duì)背肖特基二極管箝位D1和D2有助于防止示波器過(guò)驅(qū)，從而實(shí)現(xiàn)高垂直靈敏度設(shè)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(huì)存儲(chǔ)更多電荷，當(dāng)R1 = R2 = 10 kΩ時(shí)，k = 0.5。采用1 V輸入步長(zhǎng)時(shí)，1%建立時(shí)間的誤差輸出端誤差帶為5 mV。/p>
硬件設(shè)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(shè)置為500 mV/div，用作觸發(fā)源。示波器通道2用于交替測(cè)量運(yùn)算放大器輸出V2，以及電位計(jì)游標(biāo)的誤差信號(hào)。觀察放大器的輸出時(shí)，通道2應(yīng)設(shè)置為500 mV/div，但觀察誤差信號(hào)時(shí)，應(yīng)設(shè)置為更高靈敏感度的100 mV/div量程。
圖3.運(yùn)算放大器建立時(shí)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(jìn)行測(cè)量。電位計(jì)應(yīng)事先設(shè)置在其調(diào)節(jié)范圍的中心附近并進(jìn)行微調(diào)，使信號(hào)兩半的平坦部分幾乎相等并以0 V為中心（見(jiàn)圖4）。將顯示上升和下降輸入階躍建立時(shí)間的誤差波形導(dǎo)出，可用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。也可將OP27的示波器通道2誤差波形存儲(chǔ)為參考波形(REF1)，以便之后與其他放大器的建立響應(yīng)作比較。
接下來(lái)，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(shí)間的誤差波形導(dǎo)出，可用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。用保存的OP27參考波形疊加在OP37建立波形上。比較每個(gè)波形的建立時(shí)間和通用特性。應(yīng)將OP37的誤差波形存儲(chǔ)為參考波形(REF2)供以后比較。
接下來(lái)，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(shí)間的誤差波形導(dǎo)出，可用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。用保存的OP27參考波形疊加在OP37建立波形上。比較每個(gè)波形的建立時(shí)間和通用特性。應(yīng)將OP37的誤差波形存儲(chǔ)為參考波形(REF2)供以后比較。
圖4.建立波形示例。
問(wèn)題
● 更快的放大器會(huì)顯示響鈴建立特性。可添加哪些電路組件來(lái)消除振鈴（也許會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的建立時(shí)間）？
● 嘗試使用低阻值R1和R2（例如1 kΩ），并使用低值電位計(jì)（5 kΩ或更低）。這使建立波形有何變化（如有）？
您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問(wèn)題答案。
建立時(shí)間測(cè)量的其他背景
在某些情況下，可能還需要在偽求和節(jié)點(diǎn)后使用第二個(gè)（極快）放大器級(jí)來(lái)增加誤差信號(hào)電平。許多現(xiàn)代數(shù)字示波器（如ADALM2000模塊）對(duì)輸入過(guò)驅(qū)不那么敏感，可以直接用來(lái)測(cè)量誤差波形。但必須仔細(xì)查看示波器操作手冊(cè)進(jìn)行確認(rèn)。注意，直接測(cè)量允許在反相和同相模式下測(cè)量建立時(shí)間。圖4所示為OP27和OP97運(yùn)算放大器平坦脈沖輸入的輸出階躍響應(yīng)示例。請(qǐng)注意，OP27的1%建立時(shí)間約為2.8 μs，OP97的1%建立時(shí)間約為4.2 μs。
進(jìn)行這種建立時(shí)間測(cè)量時(shí)，還必須采用能夠產(chǎn)生具有快速上升和下降時(shí)間以及足夠平坦度脈沖的脈沖源。換言之，如果受測(cè)運(yùn)算放大器的0.1%建立時(shí)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(hào)源的能力。
這種信號(hào)源十分昂貴，但是，采用圖5所示的簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)，圖5中所示的電路同樣可以獲得滿意的效果。可以采用長(zhǎng)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(cè)試夾具直接連接至發(fā)生器的輸出端，測(cè)試結(jié)果最好。調(diào)整脈沖發(fā)生器使其在A（見(jiàn)圖5）處輸出趨正脈沖，該脈沖在不到5 ns時(shí)間內(nèi)從約–1.8 V上升至+0.5 V（假定測(cè)試器件的建立時(shí)間約20 ns）。較短的上升時(shí)間可能會(huì)產(chǎn)生振鈴，較長(zhǎng)的上升時(shí)間則會(huì)降低測(cè)試器件的建立時(shí)間性能；因此，實(shí)際電路需要進(jìn)行一些優(yōu)化，以獲得最佳性能。脈沖發(fā)生器輸出A到達(dá)0 V以上時(shí)，D1開(kāi)始導(dǎo)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(cè)器件輸入端信號(hào)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。
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