ADALM2000 實驗: 運算放大器的安定時間

作者: 顧問研究員 Doug Mercer及系統應用工程師 Antoniu Miclaus

 

目標

放大器或任何訊號鏈的安定時間(settling time),係指針對輸入端出現步階變化,輸出需要多少時間才能完成反應,該時間就是安定時間,且最終值會安定在預先定義的誤差帶範圍內,如圖1所示,量測到的值為輸入脈衝的50%。

Figure 1. Settling time.
圖1. 安定時間.
  • 誤差帶通常定義為步階的百分比數; 像是1%、0.5%、0.1%等等。
  • 安定時間通常為非線性; 像是安定到0.01%所花的時間可能比安定到0.1%所花的時間要多30倍。
  • 製造商在挑選誤差帶時,通常會選擇能讓運算放大器表現良好的選項。

不同於數位類比轉換器(DAC),運算放大器(op amp)並沒有明顯的誤差帶; DAC本身的誤差帶為1 LSB,或是正負1 LSB。除了挑選與定義適合的誤差帶,還應定義像是步階大小(1 V、5 V、10 V等)。挑選誤差帶應根據運算放大器的效能,但由於為不同元件選用的值都不相同,因此通常很難做比較。背後的原因是放大器的設定並不像單極RC系統那樣單純,而且可能涉及到許多不同的時間常數。這方面可以舉的例子包括採用介質絕緣(DI)製程的早期運算放大器,這些元件很快就能安定到1%,但要安定到0.1%所花的時間相較之下就長得多。類似的狀況,有些受到熱效應影響的高精確度運算放大器,雖然能在數微秒內就能安定到0.025%,但要安定到0.001%或更低時就得花費數十毫秒的時間。

另外還應注意的是熱效應也會造成短期安定時間(通常單位為奈秒)與長期安定時間(單位通常為微秒或毫秒)之間出現顯著差距。在許多交流電應用中,長期安定時間並不重要,但若是在直流電的資料擷取系統中,其量測採用的時間尺度與短期安定時間的尺度兩者的差距甚大。

量測安定時間

精確量測快速的安定時間非常困難。得花許多工夫才能產生快速、高精確度、低雜訊、波形頂部平坦的脈衝波。若是示波器的輸入尺度調至高敏感設定,大振幅的步階電壓會過度驅動示波器的許多前端元件。

使用材料


  • ADALM2000 主動學習模組
  • 免焊麵包板與跳線組
  • 兩個10 kΩ 電阻
  • 一個10 kΩ 電位計
  • 兩個蕭特基二極體 (1N914 矽晶二極體,雖然也可以用ADALP2000類比零件包所附的二極體,但效果較差)
  • 一個 OP27運算放大器
  • 一個 OP37運算放大器
  • 一個 OP97慢安定放大器
  • 兩個0.1 µF 電容 (用來解耦合Vp 與Vn 電源供應器)

解說

組建如圖2所示的測試電路。記得為運算放大器供電,正5V接到Pin 7,–5 V接到Pin 4,0.1 µF電容用來解除Vp 與Vn電源供應器的耦合。由於這樣的配置是在反相(inverting)模式運作,因此可用來量測運算放大器的安定時間。假值求和節點中的訊號(電位計的滑動片)代表輸出與輸入訊號之間的差異,再乘以常數k,即是誤差訊號。

Figure 2. Measuring settling time using a false summing node.
圖2. 使用假值求和節點來量測安定時間
Equation 1

要讓這種配置可靠工作,涉及許多細部設定。電阻必須夠低才能壓低寄生時間常數。背對背的蕭特基二極體箝位電路D1與D2除了協助避免示波器過度驅動,還能允許使用高垂直向敏感度設定。零件套件所附的1N914二極體會在較高的電壓進行箝位,加上由於電容高於蕭特基二極體因此能儲存更多電荷,R1 = R2 = 10 kΩ,則k = 0.5。因此在1V輸入步階與1%的設定值之下,誤差輸出的誤差帶為5 mV。

硬體設定

Waveform Generator 1 波形產生器應設定成頻率為60 kHz的方波,峰對峰振幅1 V,偏置0V。Scope Channel 1用來監視輸入方波,應設定為500 mV/div並用來作為觸發訊號源。Scope Channel 2則用來交替量測運算放大器的輸出V2,以及電位計滑動片上的誤差訊號。觀測到放大器的輸出時,Channel 2 應設為500 mV/div,而當觀測到誤差訊號時,則應設定成較敏感的100 mV/div。

Figure 3. Op amp settling time breadboard circuit.
圖3. 量測運算放大器安定時間的麵包板電路

程序

首先用類比零件套件中的OP27放大器進行量測。電位計應放在靠近中央處,並進行微調,讓訊號兩個半邊的平坦部分大約相等,中央則對齊接近0V處(如圖4所示)。誤差波形的輸出顯示安定標的為上升以及下落段的輸入步階,這點應記載到實驗室報告中。另外還應儲存誤差波形,OP27應儲存Scope Channel 2,以此做為參考波形(REF1),日後拿來和其他放大器的安定反應進行比對。

下一步,把OP27放大器換成零件套件中的OP37放大器。輸出誤差波形再一次顯示安定標的為輸入步階的上升與下落段,這點也應記入實驗室報告。將OP37安定波形疊到先前儲存的OP27參考波形,比較兩者的安定時間以及各項特性。接著應儲存OP37的誤差波形,做為未來比較用的參考波形(REF2)。

最後再把OP37換成安定時間較慢的OP97放大器。輸出的誤差波形再次顯示安定標的為輸入步階的上升與下落段,也應記入實驗室報告。完成後把安定波形疊到先前儲存的OP27與OP37參考波形。比較各波形的安定時間以及一般特性。

Figure 4. Example settling waveforms.
圖4. 安定波形範例

問題

  • 較快的放大器顯示振鈴(ringing)現象的安定特性。那麼應該加入什麼電路元件來消弭振鈴(代價或許是較長的安定時間)?
  • 試著用較低阻值的R1與R2(像是1 kΩ)以及較低阻值的電位計(5kΩ或更低),觀察這麼做會對波形的安定會產生什麼改變?

大家可以到以下學子專區部落格(StudentZone blog)找到這些問題的答案。

量測安定時間的其他背景資料

在一些案例中,在假值求和節點提高到誤差訊號位準之後,即可使用第二(極快)放大器步階。包括ADALM2000模組在內的許多現代數位化示波器,除了對輸入過度驅動比較不敏感,還能直接用來量測誤差波形。但還是得對每部示波器確認這方面的功能,仔細查閱操作手冊的說明。注意到直接量測功能,可測出反相與非反相模式中的安定時間。其中一個例子就是圖4中OP27 與OP97運算放大器中,輸出步階對平坦脈衝輸入的反應。注意到1%的安定時間,對OP27大約是2.8 微秒,對於OP97則是4.2微秒。

在執行這類安定時間量測時,不可避免會用到一種脈衝來源,它產生的脈衝除了具有極快的上升與下落時間,其波形也有足夠的平坦度。也就是說,如果受測的運算放大器擁有20奈秒0.1%的安定時間,那麼脈衝就應在5奈秒內安定到0.05%。而這樣的性能已超出ADALM2000模組內建AWG訊號源的能力極限。

這種訊號源成本昂貴,但圖5所示的簡單電路搭配平坦度合理的波形產生器,即可確保輸出波形平坦的脈衝。

Figure 5. A simple flat pulse generator.
圖5. 簡單的平坦脈衝產生器

如果D1、D2、D3採用低電容蕭特基二極體,那麼圖5的電路就會有最好表現,所有接點的導線長度都得以縮減。較短的50歐姆同軸線可用來連結脈衝產生器與電路,但若測試組件直接連到產生器的輸出端,則能得到最好的結果。脈衝產生器調整成能在A輸出正向脈衝(如圖5所示),在不到5奈秒內從大約負1.8V上升到正0.5V(假設受測元件的安定時間約20奈秒)。較短的上升時間可能產生振鈴效應,而較長的上升時間則會減損受測元件安定時間的性能,因此實際電路需要進行最佳化調校,藉以達到最佳效能。當脈衝產生器在A處的輸出超過0V,D1就會開始導通,D2/D3則反向偏壓。元件輸入端訊號B的0V區域在測試時呈現平坦波形,D2-D3串聯元件的漏電流與雜散電容的效應不會顯現出。D1二極體以及其100歐姆電容在A點的脈衝時間,則協助維持約50 歐姆的終端電阻。