ADALM2000 實驗: 運算放大器的安定時間
前言：
作者: 顧問研究員 Doug Mercer及系統應用工程師 Antoniu Miclaus
安定時間背景介紹
目標
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%。
圖1. 安定時間.
u 誤差帶通常定義為步階的百分比數; 像是1%、0.5%、0.1%等等。
u 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。
u 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
u ADALM2000 主動學習模組
u 免焊麵包板與跳線組
u 兩個10 kΩ 電阻
u 一個10 kΩ 電位計
u 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)
u 一個OP27 運算放大器
u 一個OP37 運算放大器
u 一個OP97 慢安定放大器
u 兩個0.1 µF 電容 (用來解耦合Vp 與Vn 電源供應器)
使用材料
u ADALM2000 主動學習模組
u 免焊麵包板與跳線組
u 兩個10 kΩ 電阻
u 一個10 kΩ 電位計
u 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)
u 一個OP27 運算放大器
u 一個OP37 運算放大器
u 一個OP97 慢安定放大器
u 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。
圖2. 使用假值求和節點來量測安定時間
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。
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。
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。
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。
圖4. 安定波形範例
問題
u 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)?
u 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。
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。
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。
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。
