Почему время установления является одним из основных параметров операционных усилителей, ЦАП и других ИМС?
Время установления – ключевой параметр ОУ, позволяющий определить быстродействие измерительной системы в целом. В таких системах выходной сигнал усилителя должен установиться с заданной точностью перед запуском последующего АЦП. Измерение этого параметра является достаточно сложной задачей. Каждое новое поколение ОУ отличается от предыдущего более высокой точностью и скоростью установления выходного сигнала. Поэтому требования к аппаратуре для измерения этого времени постоянно растут, что приводит к необходимости ее совершенствования. В измерительных системах выходной сигнал ОУ должен устанавливаться с точностью 1 ЕМР аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что, если на выходе ОУ используется 10-разрядный АЦП, погрешность установления выходного сигнала ОУ не должна превышать 0.05%. Для 12-разрядного АЦП погрешность установления составляет приблизительно ±0.001% и т.д. Абсолютное значение этой погрешности зависит от входного диапазона АЦП, т.е., если диапазон 12-разрядного АЦП составляет 1 В, то погрешность установления не должна превышать пределов 250 мкВ. Поэтому для ОУ типа AD9631 и AD9632, время установления которых составляет соответственно 20 и 10 нс, измерение этого параметра с точностью ±250 мкВ является весьма сложной задачей.
Каким образом может быть измерено время установления?
Для измерения времени установления выходного сигнала ОУ с заданной точностью необходимо на вход усилителя подавать импульсы с плоской вершиной, формируемые специализированным генератором.
Уровень выбросов на вершине импульса должен быть в пределах погрешности установления. Создать такой генератор достаточно сложно. Для генерирования импульсов с идеально плоской вершиной используется
схема, приведенная на рис. 1, в составе которой имеется реле с ртутными контактами, подключенное к низкоимпедансному источнику напряжения. Плоская вершина формируется при разомкнутом контакте реле.
Рис. 1. Упрощенная схема формирования импульсов с идеально плоской вершиной
Измерение выходного сигнала генератора требует использования аппаратуры с широким динамическим диапазоном. Упрощенная электрическая схема такого измерителя приведена на рис. 2. Данный измеритель позволяет измерить время установления усилителя AD797 800 нс с погрешностью 0.0015%. Время установления измеряется на выходе усилителя AD829.
Рис. 2. Упрощенная схема измерителя времени установления выходного сигнала ОУ
Потенциометр сопротивлением 100 Ом предназначен для регулировки напряжения смещения нуля. Диоды на входе усилителя AD819 предохраняют его от насыщения. Таким же образом защищен и выход данного усилителя. Этот метод носит название метода эта- лонного сигнала.
Имеются ли другие средства измерения времени установления?
К таким средствам относится цифровой осциллограф, который измеряет разницу между входным и выходным сигналами исследуемого усилителя и сравнивает ее с разницей, воспроизводимой эталонным устройством. Этот метод носит название метода эталонного прибора. Недостатком последнего метода является невысокое разрешение (8-10 двоичных разрядов) встроенного в цифровой осциллограф АЦП. Для уменьшения влияния погрешности от квантования производится серия измерений с последующим их усреднением.
Известны ли еще какие-либо методы измерения времени установления?
Время установления может быть измерено непосредственно на выходе ОУ с помощью специальной установки Data 6000 фирмы Data Precision, динамический диапазон которой составляет от 0 до 5 В, точность – 16 разрядов и время измерения 10 пс. Для каждой выборки сигнал изменяется на один бит.
Зачем в технических описаниях иногда приводится краткосрочное и долгосрочное время установления?
Как правило, после подачи на вход эталонного сигнала усилитель достаточно быстро устанавливается в исходное состояние. Как измеряется в этом случае время установления, рассматривалось выше. Однако наряду с электрическими переходными процессами в ОУ во время установления происходят и тепловые переходные процессы, длительность которых занимает гораздо больший временной интервал. Длительность температурных переходных процессов определяется температурными градиентами между активными элементами ОУ. В высококачественных усилителях отдельные элементы хорошо согласованы между собой, поэтому длительность переходных процессов как электрических, так и тепловых сведена к минимуму. Кроме того, степень влияния тепловых переходных процессов зависит от конкретного применения усилителя. В системах связи, в которых частота выборки велика, степень влияния долговременных тепловых переходных процессов минимальна. В видеосистемах, в системах непрерывного сканирования изображения, в которых осуществляется постоянное слежение за входным сигналом, долгосрочные тепловые переходные процессы могут привести к появлению существенной погрешности.
Рис. 3. Диаграммы установления выходного сигнала ОУ AD8036
На рис. 3 в качестве примера приведены диаграммы установления выходного сигнала быстродействующего усилителя AD8036 с единичным усилением, причем из диаграммы рис. 3, а с ценой деления 2 мкс следует, что долговременные переходные процессы затухают приблизительно за 18 мкс, при этом точность установления составляет 0.009%. На диаграмме рис. 3, б с ценой деления 5 нс видно, что краткосрочные переходные процессы на выходе этого ОУ с точностью установления 0.01% затухают примерно через 16 нс, что может быть использовано в системах с большой частотой выборки.
Лайкнути
Твітнути