放大器建立時(shí)間參數(shù)仿真

本篇通過(guò)仿真介紹放大器的建立時(shí)間，也稱為上升時(shí)間。它是高速放大電路、或在 SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要謹(jǐn)慎評(píng)估的參數(shù)。

1、建立時(shí)間定義

建立時(shí)間（Setting Time,ts）是指定放大器增益時(shí)，在輸入階躍信號(hào)作用下，輸出電壓全部進(jìn)入指定誤差范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。指定誤差范圍通常為階躍信號(hào)電壓的±1%、±0.05%、±0.01%。

如圖 2.139，輸入大階躍信號(hào)作為激勵(lì)時(shí)，輸出信號(hào)的建立時(shí)間包括死區(qū)時(shí)間、壓擺率消耗時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間，涵蓋納秒級(jí)到毫秒級(jí)。

圖 2.139 建立時(shí)間示意圖

2、建立時(shí)間仿真

先來(lái)看一個(gè)錯(cuò)誤理解的案例，2019 年 8 月中旬，一位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人通過(guò)微信發(fā)來(lái)電路的異常反饋。如圖 2.140（a），電路使用 ADA4622 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，微處理器（MCU）控制 ADG1208 選擇反饋電阻實(shí)現(xiàn)量程切換。電路調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，MCU 切換反饋電阻后 ADA4622 需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能輸出信號(hào)，如圖 2.140（b）所示,ADA4622 輸出的時(shí)間間隔 40ms，工程師疑惑為何建立時(shí)間這么長(zhǎng)？

圖 2.140ADA4622 問(wèn)題排查案例

這是一起將系統(tǒng)問(wèn)題視為器件參數(shù)問(wèn)題的案例。筆者首先與工程師厘清 ADA4622 建立時(shí)間參數(shù)與系統(tǒng)問(wèn)題，然后針對(duì)現(xiàn)象將系統(tǒng)按功能分步驟測(cè)試，在 MCU 的控制模擬開關(guān)的環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)在控制信號(hào)輸出與 MCU 觸發(fā)標(biāo)志信號(hào)之間存在很大延遲，后續(xù)建議工程師使用 MCU 中斷處理，延遲大大降低。

以上述 ADA4622 為例，如果進(jìn)行建立時(shí)間參數(shù)的仿真，首先要明確的還是 ADA4622 數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的測(cè)試條件。如圖 1.141，在 25℃環(huán)境中，ADA4622 供電電源為±15V，電路增益為 -1 倍，輸出負(fù)載電阻 2KΩ,負(fù)載電容 15pf 時(shí)，輸入 10V 階躍信號(hào)，測(cè)試建立時(shí)間的典型值為 1.5us。

圖 1.141 ADA4622 建立時(shí)間參數(shù)

基于數(shù)據(jù)手冊(cè)的測(cè)試條件，設(shè)計(jì)仿真電路，如圖 2.142。輸入激勵(lì)使用幅值為±5V，頻率為 20KHz 的方波。

圖 2.142 ADA4622 建立時(shí)間仿真電路

瞬態(tài)分析結(jié)果如圖 2.143，在 70.0005us 時(shí)輸入信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)穩(wěn)定在±0.1%范圍內(nèi)的時(shí)間為 71.5718us,仿真的建立時(shí)間是 1.5713us，等同于 ADA4622 建立時(shí)間（至 0.1%）的典型值 1.5u，如圖 1.141。

圖 2.143 ADA4622 建立時(shí)間瞬態(tài)分析結(jié)果

放大器的建立時(shí)間的內(nèi)容就這么簡(jiǎn)短，但是在應(yīng)用時(shí)需要注意的是數(shù)據(jù)手冊(cè)給出數(shù)據(jù)的測(cè)試條件與 ADC 驅(qū)動(dòng)的對(duì)比方式，即數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的指定誤差范圍通常為階躍信號(hào)電壓的±1%、±0.05%、±0.01%，在這個(gè)范圍內(nèi)放大器認(rèn)為是穩(wěn)定。但是在 SAR ADC 驅(qū)動(dòng)時(shí)，要滿足電壓恢復(fù)到±0.5LSB 的電壓時(shí),能確認(rèn)輸入電壓穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中要考慮 SAR ADC 的位數(shù)進(jìn)行放大器選型。