正確測量轉(zhuǎn)換速率

　　Jim Williams，Linear Technology



　　只有理解了轉(zhuǎn)換速率與放大器動態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，才能找到一個測量轉(zhuǎn)換速率的正確方法





　　轉(zhuǎn)換速率(Slew rate)限定一個 放大器輸出偏移的最大比率。它確定不失真帶寬（ADC驅(qū)動電路的一個重要參數(shù)）的極限。轉(zhuǎn)換速率還影響 DAC 輸出級、濾波器、視頻放大器以及數(shù)據(jù)采集器可能達到的性能。如果你的電路性能依賴這一參數(shù)，你就必須通過測量來驗證放大器的轉(zhuǎn)換速率。


　　放大器動態(tài)響應(yīng)


　　放大器動態(tài)響應(yīng)包括：延遲時間、轉(zhuǎn)換時間以及振蕩時間(ring time)三部分（圖 1）。延遲時間很短，幾乎全都是由放大器的傳輸延遲引起的。放大器輸出在延遲時間內(nèi)不發(fā)生偏移。在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，放大器以可能的最大速度向最終值偏移。振蕩時間確定放大器轉(zhuǎn)換復(fù)原，并在規(guī)定的誤差內(nèi)停止變化的范圍。穩(wěn)定時間是從加上輸入信號直到輸出到達最終值并使之保持在規(guī)定誤差范圍內(nèi)所經(jīng)過的總時間（參考文獻 1、2 和 3）。







　　圖1，放大器動態(tài)響應(yīng)包括延遲時間、轉(zhuǎn)換時間和振蕩時間三部分。通常在中間三分之二轉(zhuǎn)換時間內(nèi)測量轉(zhuǎn)換速率。



　　轉(zhuǎn)換速率的測量要在放大器增益為1時，在輸出偏移的中間三分之二時間間隔內(nèi)進行，測量單位是伏/微秒(V/μS)。只要去掉開頭和最后兩個輸出偏移時間間隔，就可以確保在有部分輸入過載驅(qū)動期間的放大器增益帶寬限制不會影響測量結(jié)果。


　　轉(zhuǎn)換速率測量歷來是比較簡單的。早期放大器的典型轉(zhuǎn)換速率為 1伏/微秒，后來的放大器的轉(zhuǎn)換速率有時達到了數(shù)百伏／微秒。標準的實驗室脈沖發(fā)生器可輕而易舉地提供遠優(yōu)于放大器速度的上升時間。當轉(zhuǎn)換速率達到 1000伏/微秒時，脈沖發(fā)生器的有限上升時間就開始成問題了。至少有一款型號為LT1818的新器件，其轉(zhuǎn)換速率高達 2500伏/微秒，即 2.5伏/納秒，這個速率與一個肖特基 TTL 門的渡越時間相當。這一速度幾乎使所有脈沖發(fā)生器都失去了進行放大器轉(zhuǎn)換速率極限測試的資格。


　　脈沖發(fā)生器上升時間對測量的影響


　　當試圖準確地測定轉(zhuǎn)換速率時，脈沖發(fā)生器上升時間的局限就成為一個重要的問題，這已被增益為1的放大器對不斷加快的脈沖發(fā)生器上升時間的響應(yīng)所證明（圖 2）。數(shù)據(jù)顯示，當脈沖發(fā)生器上升時間縮短時，轉(zhuǎn)換速率呈非線性增加。轉(zhuǎn)換速率隨發(fā)生器上升時間的縮短而不斷增大，雖然正在接近于零上升時間確定的邊界，但卻暗示信號源尚未驅(qū)使放大器達到轉(zhuǎn)換速率的極限。要確定是否滿足這一條件，就需要一臺上升時間快于 1 納秒的脈沖發(fā)生器。







　　圖2，脈沖發(fā)生器的概括數(shù)據(jù)顯示了縮短的上升時間提升了更高的轉(zhuǎn)換速率。驗證轉(zhuǎn)換速率的限制需要具有上升時間小于1納秒的脈沖發(fā)生器。



　　大多數(shù)通用脈沖發(fā)生器的上升時間在 2.5～10 納秒范圍內(nèi)。上升時間低于 2.5 納秒的脈沖發(fā)生器相對少見，只有少量高檔脈沖發(fā)生器才能達到 1 納秒上升時間（參考文獻 2）。上升時間小于 1 納秒的脈沖發(fā)生器更少見。這些儀器都使用秘密的工藝技術(shù)和異乎尋常的結(jié)構(gòu)技術(shù)，特別是在需要 5~10V 較大擺幅的情況下（參考文獻 4 至 16）�，F(xiàn)有這種等級的儀器工作性能良好，但價格輕易就能達到 1 萬美元；根據(jù)功能，價格可升高到 3 萬美元。實驗室以及生產(chǎn)環(huán)境中的轉(zhuǎn)換速率測試可使用價格便宜得多的脈沖發(fā)生器。








　　圖3，可變延遲觸發(fā)上升時間小于1納秒的脈沖發(fā)生器，圖5集電極的充電線路確定了輸出寬度：大約10納秒。你可以在觸發(fā)輸出之前、期間或之后設(shè)定輸出脈沖。



　　圖 3 示出了一種產(chǎn)生上升時間短于 1 納秒的脈沖電路。該電路的脈沖上升時間只有 360 皮秒，脈沖振幅是可調(diào)的。你還可以使輸出脈沖出現(xiàn)為在觸發(fā)器輸出之前或出現(xiàn)在觸發(fā)器輸出之后。這一電路利用一個雪崩脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生上升時間極快的脈沖。







　　圖4，脈沖發(fā)生器的波形包括時鐘（跡線A）、Q2的集電極斜坡（跡線B）、觸發(fā)輸出（跡線C）以及脈沖輸出（跡線D），延遲確定了輸出脈沖發(fā)生在觸發(fā)輸出之后大約170納秒。



　　Q1和 Q2構(gòu)成一個電流源，為 1000pF 電容器充電。當 LTC1799 時鐘為高電平時，Q3 和 Q4 都導(dǎo)通（圖 4 跡線 A）。相同情況下，電流源關(guān)斷， Q2的集電極（跡線 B）接地。U1的鎖存輸入可以阻止U1作出響應(yīng)，U1輸出保持高電平。當時鐘脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，比較器 U1的鎖存輸入被禁用，U1輸出變?yōu)榈碗娖�。Q3和 Q4集電極電平升高，Q2導(dǎo)通，為 1000pF電容器提供恒定電流（跡線 B）。由此產(chǎn)生的線性斜波出現(xiàn)在 U1和 U2的正輸入端。被一個來自 5V電源的電勢偏置的U2，在斜波開始后 30 納秒變?yōu)楦唠娖�，從而通過其輸出網(wǎng)絡(luò)提供“觸發(fā)器輸出”（跡線 C）。當斜波在 U1負輸入端經(jīng)過由電位器設(shè)定的延遲（本例約為 170 納秒）后，U1變?yōu)楦唠娖�。U1變?yōu)楦唠娖剑�就會觸發(fā)雪崩輸出脈沖（跡線 D）。這一電路允許用延遲編程控制器改變輸出脈沖出現(xiàn)的時間，改變范圍從觸發(fā)器輸出前 30 納秒直至觸發(fā)器輸出后 300 納秒。


　　當 U1將其輸出脈沖加至 Q5的基極時，Q5這個 NPN 晶體管就發(fā)生雪崩效應(yīng)。結(jié)果是在 Q5發(fā)射極終端負載電阻上產(chǎn)生一個快速的上升脈沖。10pF 的集電極電容和充電線路放電，Q5集電極電壓下降，雪崩停止。然后 10pF 電容和充電線路再次進行充電。在 U1的下一個輸出脈沖加到Q5基極時，這一動作就重復(fù)發(fā)生。10pF 電容提供初始的脈沖響應(yīng)，而充電線路延長的放電時間對脈沖主體起作用。40 英寸充電線路可形成約 12 納秒的輸出脈沖寬度。


　　雪崩工作方式需要高電壓偏置。這一高電壓由低噪聲 LT1533 開關(guān)穩(wěn)壓器和相應(yīng)的元件提供。LT1533 是一種轉(zhuǎn)換時間可控的推挽輸出開關(guān)穩(wěn)壓器。


　　較慢的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度可明顯降低以輸出諧波含量的形式出現(xiàn)的噪聲（參考文獻 4）。RCSL 腳和 RVSL 腳上的電阻分別控制開關(guān)電流和開關(guān)電壓的轉(zhuǎn)換時間。從其它任何方面來說，該電路是一個經(jīng)典的推挽升壓轉(zhuǎn)換器。


　　優(yōu)化這一電路的第一步是將輸出振幅游標調(diào)到最大值，并將 Q4集電極接地。然后，調(diào)整雪崩電壓，使自激脈沖開始出現(xiàn)在 Q5發(fā)射極，同時注意偏置測試點電壓。再重新調(diào)整雪崩電壓，使之比這一電壓低 5V，并使 Q4集電極不接地。設(shè)定30納秒微調(diào)，并使觸發(fā)器輸出在時鐘脈沖變?yōu)榈碗娖胶?0納秒變?yōu)榈碗娖�。調(diào)整延遲編程控制器至最大值，再設(shè)定300納秒校準量，以使U1在時鐘脈沖變?yōu)榈碗娖胶?300 納秒變?yōu)楦唠娖�。由于有輕微的相互影響，必須反復(fù)調(diào)整30 和 300 納秒這個微調(diào)量，直到兩點都校準為止。


　　要獲得最好的雪崩性能，就要擇優(yōu)選擇 Q5。盡管器件的特性規(guī)定了雪崩性能，但制造商不能保證這種性能。我們最近做了一個選擇試驗，30支 Semelab 2N2501 樣品管的日期標碼分布在 17 年里，最后的選中率約為 90%。所有“良好”的器件開關(guān)時間均低于 475 皮秒，有些甚至低于 300 皮秒。也可以選包括飛利浦半導(dǎo)體公司和 Central 半導(dǎo)體公司在內(nèi)的許多廠家供應(yīng)的 2N2369代替2N2501，不過2N2369的開關(guān)時間很少低于 450 皮秒。實際上，應(yīng)該根據(jù)低于 400 皮秒的在線上升時間來選擇 Q5，然后通過調(diào)節(jié)Q5集電極的阻尼狀況，對轉(zhuǎn)換速率測試用的輸出脈沖波形進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法可以充分利用轉(zhuǎn)換速率測試不需要純凈的脈沖這種自由。








　　圖5，過量阻尼犧牲了上升時間，跡線的前拐不錯，減小了脈沖頂部的失真（a）；最小阻尼會突出上升時間，但脈沖頂部振蕩過量（B）；優(yōu)化的阻尼阻止了脈沖頂部的振蕩，使上升時間保持在轉(zhuǎn)換速率測量范圍內(nèi)）。（C



　　如果過沖失真和轉(zhuǎn)換后失真對測量區(qū)內(nèi)的放大器響應(yīng)沒有影響，則轉(zhuǎn)換速率測試就允許出現(xiàn)這些失真存在。有一個簡單的方法可對波形進行優(yōu)化（圖 5）。要為獲得好的效果而調(diào)節(jié)阻尼，結(jié)果是脈沖很干凈，但卻犧牲了上升時間（圖 5a）。要注意在另一個極端進行控制時的波形（圖 5b）。最小的阻尼會突出上升時間，但明顯的轉(zhuǎn)換后振蕩則可會在轉(zhuǎn)換速率測試期間影響放大器的工作。與現(xiàn)實折衷方案對應(yīng)的一個阻尼點，只會稍微減小上升沿的速率，但卻明顯地抑制轉(zhuǎn)換后的振蕩（圖 5c）。一臺實時帶寬為1GHz、上升時間為350皮秒的示波器(Tektronix 7104/7A29/7B15)產(chǎn)生了照片所示的跡線。圖 5c 所示電路的上升時間的精確測定，就需要更大的帶寬，還需要驗證測量信號路徑完整性，其中包括電纜、衰減器、探頭以及示波器（見附文《驗證上升時間測量的完整性》）。后面的一張照片（只有網(wǎng)絡(luò)版才有）使用的是一臺帶寬為3.9 GHz的示波器，即上升時間為90皮秒、配有1S2采樣插件的 Tektronix 556 示波器。該照片顯示的輸出上升時間為 360 皮秒。另一張只有網(wǎng)上才有的照片使用的是一臺帶寬為6 GHz的 Tektronix TDS 6604 示波器，它具有 60 皮秒的上升時間。該圖片驗證了 360 皮秒的上升時間，從而幫助提高測量的可信度。360 皮秒上升時間幾乎比上升時間為 1 納秒的脈沖發(fā)生器快兩倍，而1納秒上升時間示波器在產(chǎn)生圖 2 所示數(shù)據(jù)和推廣 2500V/微秒轉(zhuǎn)換速率的示波器中是速度最快的，這種脈沖發(fā)生器已是最快的一種了。圖 6 正確地表達了這種速度。跡線 A 有 360 皮秒的上升時間，使之在跡線 B 的 400 MHz LT1818 放大器開始偏移之前就完成了轉(zhuǎn)換。跡線 A 的上升時間實際上比描繪的更快，因為 1 GHz 的實時測量帶寬限制了觀測到的響應(yīng)。使用這種上升時間更快的脈沖應(yīng)當給圖 2 的數(shù)據(jù)增加有用的信息。







　　圖6，跡線A的360皮秒上升時間脈沖使其在放大器（跡線B）開始偏移之前完成了轉(zhuǎn)換。由于1GHz測量帶寬限止了看到的響應(yīng)，所以跡線A的上升時間實際上比描述的要快大約150皮秒。



　　轉(zhuǎn)換速率測量的改進









　　圖7，嚴格檢查LT1818的響應(yīng)表明，轉(zhuǎn)換速率大約為2800伏/微秒，用圖2中1納秒上升時間脈沖進行的測量，誤差為11%。



　　增益為1的放大器在 1 GHz 實時帶通內(nèi)對 360 皮秒上升時間脈沖的響應(yīng)示出了一個約為2800V/微秒的測量區(qū)轉(zhuǎn)換速率（圖 7）。這一測量值表明早期的評估誤差為 11%（圖 8）。新數(shù)據(jù)顯示：雖然轉(zhuǎn)換速率的“硬性”限制可能不會發(fā)生，但也幾乎不可能有實際的改進，因為上升時間正在接近零。一臺上升時間更快的脈沖發(fā)生器能確認這一推斷，但任何轉(zhuǎn)換速率的改善可能都缺乏實用價值。在實際電路中，很少遇到需要用大信號、360 皮秒上升時間的輸入來提升 2800V/微秒轉(zhuǎn)換速率的。







　　圖8，對圖2數(shù)據(jù)的這種重新認識包括了雪崩脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的結(jié)果。進一步對轉(zhuǎn)換速率的大幅提高不太可能，因為上升時間正在接近零。




　　參考文獻


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　　附文：驗證上升時間測量的完整性





　　任何測量都要求實驗者確保測量的可信度。做一些校準檢查總是明智的。高速時域測量特別容易發(fā)生錯誤，各種技術(shù)都可以提升測量完整性。







　　一個電池供電的 200MHz 晶體振蕩器能產(chǎn)生 5 納秒的標記，這5納秒標記對驗證示波器的時基準確度是很有用的（圖 A）。一節(jié) 1.5V 的 AA 電池可為 LTC3400 升壓穩(wěn)壓器供電，而LTC3400則為晶振的運行提供 5V 電壓。一個峰值衰減網(wǎng)絡(luò)將振蕩器的輸出傳送到50Ω 負載。這個電路可產(chǎn)生界定分明的 5 納秒標記，并可防止低電平采樣示波器的輸入端過驅(qū)動（圖 B）。







　　一旦確定了時基準確度，就必須檢查上升時間。應(yīng)該把集中的信號路徑上升時間包括進去，其中包括衰減器、連接器、電纜、示波器等。這種端到端的上升時間檢查是一種產(chǎn)生有意義結(jié)果的有效方法。確保準確度的指導(dǎo)原則是測量路徑上升時間要比所測上升時間快三倍。因此，要進行一次 360 皮秒上升時間測量，就需要用驗證過的 90 皮秒測量路徑上升時間來支持。而驗證 90 皮秒的測量路徑上升時間就需要一個低于 22.5 皮秒上升時間的測試步長。表 A 列出了一些用于上升時間檢查的上升沿極快的發(fā)生器。









摘自 電子設(shè)計技術(shù)