通过仿真介绍放大器的建立时间

2021-02-20 09:28

郑荟民

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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。