本篇通过仿真介绍放大器的建立时间,也称为上升时间。它是高速放大电路、或在 SAR ADC 驱动电路设计时,需要谨慎评估的参数。

 

1、建立时间定义

建立时间(Setting Time,ts)是指定放大器增益时,在输入阶跃信号作用下,输出电压全部进入指定误差范围内所需要的时间。指定误差范围通常为阶跃信号电压的±1%、±0.05%、±0.01%。

 

如图 2.139,输入大阶跃信号作为激励时,输出信号的建立时间包括死区时间、压摆率消耗时间、恢复时间,涵盖纳秒级到毫秒级。

 

图 2.139 建立时间示意图

 

2、建立时间仿真

先来看一个错误理解的案例,2019 年 8 月中旬,一位项目负责人通过微信发来电路的异常反馈。如图 2.140(a),电路使用 ADA4622 将电流信号转化为电压信号输出,微处理器(MCU)控制 ADG1208 选择反馈电阻实现量程切换。电路调试过程中发现,MCU 切换反馈电阻后 ADA4622 需要较长的时间才能输出信号,如图 2.140(b)所示,ADA4622 输出的时间间隔 40ms,工程师疑惑为何建立时间这么长?

 

图 2.140ADA4622 问题排查案例

 

这是一起将系统问题视为器件参数问题的案例。笔者首先与工程师厘清 ADA4622 建立时间参数与系统问题,然后针对现象将系统按功能分步骤测试,在 MCU 的控制模拟开关的环节,发现在控制信号输出与 MCU 触发标志信号之间存在很大延迟,后续建议工程师使用 MCU 中断处理,延迟大大降低。

 

以上述 ADA4622 为例,如果进行建立时间参数的仿真,首先要明确的还是 ADA4622 数据手册提供的测试条件。如图 1.141,在 25℃环境中,ADA4622 供电电源为±15V,电路增益为 -1 倍,输出负载电阻 2KΩ,负载电容 15pf 时,输入 10V 阶跃信号,测试建立时间的典型值为 1.5us。

 

图 1.141 ADA4622 建立时间参数

 

基于数据手册的测试条件,设计仿真电路,如图 2.142。输入激励使用幅值为±5V,频率为 20KHz 的方波。

 

图 2.142 ADA4622 建立时间仿真电路

 

瞬态分析结果如图 2.143,在 70.0005us 时输入信号发生反转,输出信号稳定在±0.1%范围内的时间为 71.5718us,仿真的建立时间是 1.5713us,等同于 ADA4622 建立时间(至 0.1%)的典型值 1.5u,如图 1.141。

 

图 2.143 ADA4622 建立时间瞬态分析结果

 

放大器的建立时间的内容就这么简短,但是在应用时需要注意的是数据手册给出数据的测试条件与 ADC 驱动的对比方式,即数据手册给出的指定误差范围通常为阶跃信号电压的±1%、±0.05%、±0.01%,在这个范围内放大器认为是稳定。但是在 SAR ADC 驱动时,要满足电压恢复到±0.5LSB 的电压时,能确认输入电压稳定,所以在设计中要考虑 SAR ADC 的位数进行放大器选型。