现今许多数据采样系统都包含高速、高分辨率的ADC（模拟-数字转换器）。出于低成本和低功率损耗的需要，这些系统通常采用基于CMOS的开关电路和以电容为基础的ADC进行设计。当中的ADC采用非缓冲的前端直接与采样网络进行耦合。为了有效的降低噪声和信号失真，因此有必要使用高速、低噪声、低失真的运算放大器驱动ADC。而要达到失真最小，运算放大器的输出必须在ADC的采集时间内稳定到预定的数值。通常测量运算放大器的稳定时间可以通过datasheet给出的频率响应时间计算，也可以用示波器通过探针测量输出，但是那样受示波器分辨率的限制。有时，运算放大器的输入和输出的不同被放大以提高精确度。这些方法都受到示波器分辨率或者电路寄生参数的影响。此外，运算放大器的稳定时间会受到示波器的探针的寄生电容和寄生电感的影响。另外一种方法，将输入和输出的差异放大可以增加测量的精确度。以上提到的方法都没有考虑ADC采样电路和封装的寄生电容和寄生电感。
稳定时间（settling time）的定义
稳定时间指的是从理想的瞬态阶跃输入到闭环放大器的输出参数的数值保持在对称误差区域内所占用的时间。稳定时间包括非常短暂的传输延迟时间，以及输出稳定到最终值所需要的时间，这个时间主要是从过载的情况转变到预定的在允许误差范围的输出。对于高分辨率的ADC，误差的范围通常是ADC的最低有效位（LSB-least significant bit）的四分之一。
建立测试电路
测试电路可以采用TI的ADC芯片ADS8411，这是一个具备连续近似寄存器（SAR-successive approximation register）的16位ADC；运算放大器可以采用THS4031。图1为测试电路的基本结构。瞬态阶跃输入可以由模拟多路复用器MUX（比如TS5A3159）通过交换它的两个通道产生。在通道2加一个直流电压V，通道1连接地，这样可以构成从0跳变到V或者从V跳变到0的阶跃输入信号。为了获得更好的效果，也可以采用专门的阶跃输入发生器产生这样的输入信号，但是阶跃发生器的稳定时间必须比运算放大器的稳定时间要短。
怎样从测试电路得出稳定时间
（1）ADC首先从通道1采样，通道1连接地。采样时间要足够的长以确保ADC的输入电容完全放电。
（2）如图2所示，模拟MUX在时间点A开始从通道1转换到通道2。图2显示了图1电路中S点的电压的从通道1转变到通道2的变化。MUX的稳定时间表示为ts。在这里假设ts比运算放大器的稳定时间短。
（3）一旦模拟MUX在时间点A发生转换，运算放大器就开始变化。运算放大器的输出在一个非常短的传输延迟后开始改变。运算放大器的稳定时间（tideal）可以从Datasheet给出的转换率（slew rate）和带宽近似的计算。图3绘出了运算放大器从A点到B点的输出情况，A点到B点的时间差为2tideal。
（4）第一个ADC采样脉冲在B点，并且假设在B点得到带n个读出信号（即ADC的数字输出）。从这n个读出信号得到的平均值以得到更精确的结果，这点在后面讨论。下一个采用脉冲向左移，并且与第一个采样脉冲间隔1ns（参考图3），这可以由见图1中的图形发生器和可调延迟发生器来实现，同样的第二次采样也可以得到n个读出信号。同样的，采样脉冲以1ns为单位由B点到A点进行采样。每一个采样信号的平均值被存储在一个阵列元件里。最终以时间和阵列元件的存储数值为坐标轴绘出运算放大器的稳定时间，参考图3。
对采样求平均值以得到更好的分辨率
对于一个n位的ADC来说，它的输入至少能处理n+2位，但是从ADC测量到的输出是n位的数字代码。一个提高分辨率的方法是反复的采样同一个输入并且得到多个读出数据，就象前面提到的一样。因此ADC输出的n位数字代码中的每一位都是平均结果。也可以看成是每一位的分辨率，如果读出的次数是4，分辨率的w个扩展位需要4w的读出结果。
每一个附加位，信噪比（SNR）增加6.01dB。在这个前提下，16位的ADC需要能处理至少18位的精确度。
SNR=6.01×N+1.76。其中N是ADC的分辨率。
从测试中导出结论
在运算放大器的输出端加入RC电路过滤外部的噪升。在图4中可以看到，ADC采样电路通常包含由另外的RC电路，即R`、C`。图5显示了当外部RC电路采用不同的电容对应的稳定曲线。图6是图5放大后的图例，从中可以更精确的看到结果。当输出的数字代码是建立在16位的采样上的，测量的分辨率比16位要高，因为“捕获”了65536个采样数据，并且每一个读出信号都进行了平均化。当没有使用电容的时候，测量的结果显示出明显的系统振铃和欠阻尼情况，而且从测量结果中还可以看到采用更大的电容（1000pF）会显著的增加稳定时间。总而言之，超过16位的情况下对输出数据进行平均化可以提高结果的分辨率。
偏置电流的测量
图7显示了采用不同数值的反馈电阻的运算放大器的稳定过程。从图中的不同输出的稳定过程可以看出，由偏置电流引起的电压的偏移。偏置电流可以以3μA来计算，因为这个数值就是THS4031的技术参数。通过实验可以验证测试电路的有效。
小结
本文所叙述的是测量ADC驱动电路稳定时间的一个实用简单方法。稳定的过程不受测量因素的影响，因为建立测试电路不需要额外的元件。这种方法在未来也可以以内建自测（BIST）的方法实现，并且可以通过对读出信号的求平均数值可以增加结果的精确度。
作者简介：
Rajiv Mantri，TI市场策划，联系方式: rajivmantri@ti.com；
Bhaskar Goswami，TI测试部工程师，联系方式: bhaskar@ti.com
查询进一步资料，请阅读英文资料：http://focus.ti.com/lit/an/slyt262/slyt262.pdf。
