利用Hi-Z緩沖器緩沖簡化高性能模擬前端信號鏈設(shè)計(jì)

為了可靠地捕獲高頻信號和快速瞬態(tài)脈沖，示波器和有源探頭等寬帶寬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足以下要求的高性能模擬前端 (AFE) 信號鏈：

(至少)支持 1 VPP 信號，以確保高信噪比。

支持直流到 500MHz 的高輸入阻抗(高阻態(tài))，以防止加載待測器件。

提供低噪聲和低失真，以保持高信號保真度。

提供高直流精度。

克服這些設(shè)計(jì)難題的一種方法是建立基于復(fù)合環(huán)路的方案，使低頻和高頻信號鏈交錯，以獲得直流精度和較寬的大信號帶寬。

由于部署滿足系統(tǒng)要求的基于復(fù)合環(huán)路的電路非常復(fù)雜，工程師通常需要設(shè)計(jì)定制的應(yīng)用特定集成電路 (ASIC) 或使用多個分立式元件，如圖 1 所示。這兩種方案都存在弊端，包括需要專門的 ASIC 專業(yè)知識，同時還會增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。這兩種方案還需要在性能和成本方面進(jìn)行權(quán)衡：分立式實(shí)施比 ASIC 成本低，但不符合性能等級的要求。

圖 1：具有精密放大器模擬前端的分立式緩沖器復(fù)合環(huán)路

本文將探討與全新 BUF802 Hi-Z 緩沖器單芯片實(shí)施相比，分立式緩沖器復(fù)合環(huán)路實(shí)施存在的設(shè)計(jì)難題。

分立式緩沖器復(fù)合環(huán)路架構(gòu)

圖 1 中 Hi-Z AFE 的分立式實(shí)施使用在復(fù)合環(huán)路中配置的精密放大器和基于分立式結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 的源極跟隨器電路。環(huán)路將輸入信號分離為低頻和高頻分量，通過兩個不同的電路將兩個分量傳遞到輸出(傳輸功能)，并將它們重新組合，呈現(xiàn)為凈輸出信號，如圖 2 所示。

圖 2：分立式復(fù)合環(huán)路低頻和高頻路徑

低頻路徑提供了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)輸功能良好的直流精度，而基于 JFET 源極跟隨器的高頻路徑為網(wǎng)絡(luò)傳輸功能提供了較寬的大信號帶寬以及低噪聲和低失真。圖 2 所示電路的一個主要難題是實(shí)現(xiàn)兩條路徑的順利交錯，以確保平坦的頻率響應(yīng)。兩條路徑的傳輸功能中的任何不匹配都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸功能頻率響應(yīng)中斷，從而喪失信號保真度。

復(fù)合環(huán)路架構(gòu)的目標(biāo)

在直流或低頻下，CHF(高頻電容器)處于開路狀態(tài)，電壓輸出 (VOUT) 由低頻路徑中的精密放大器控制。α 和 β 電阻網(wǎng)絡(luò)之比可控制直流或低頻增益。

在高頻下，由于增益帶寬產(chǎn)品的限制，CHF 短路和精密放大器會用盡帶寬。分立式緩沖器充當(dāng) JFET 源，負(fù)-正-負(fù)發(fā)射極跟隨器確定 VOUT。在圖 3 中，分立式緩沖器級稱為增益 (G)，用于確定高頻路徑增益。

圖 3：分立式緩沖器復(fù)合環(huán)路架構(gòu)

在中頻下，由于低頻和高頻路徑可確定輸出，因此為了確保平坦的頻率響應(yīng)，請務(wù)必對極點(diǎn)和零點(diǎn)的單獨(dú)增益和交互進(jìn)行調(diào)優(yōu)。由于具有相同的分量，中頻下的增益均衡難以實(shí)現(xiàn)，CHF 和 RHF(高頻電阻)將確定低頻和高頻路徑的極點(diǎn)，如圖 4 所示。

圖 4：分立式緩沖器頻率響應(yīng)

復(fù)合環(huán)路應(yīng)具有平坦的頻率響應(yīng)和較高的交叉頻率區(qū)域，以便降低 1/f 噪聲并實(shí)現(xiàn)快速過驅(qū)恢復(fù)。

分立式實(shí)施的復(fù)雜性

由于低頻路徑和高頻路徑相互依賴(如圖 5 所示)，為實(shí)現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)，CHF 和 CF(補(bǔ)償電容器)的值達(dá)到了數(shù)十納法。但這些值致使交叉頻率范圍從幾十赫茲達(dá)到幾百赫茲，因而限制了信號鏈的直流噪聲性能。

圖 5：低頻和高頻路徑的相互依賴

以分立方式實(shí)施復(fù)合環(huán)路的另一難題是精密放大器開環(huán)增益的極點(diǎn)以及由 RHF 和 CHF 組成的電阻器-電容器網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)會導(dǎo)致低頻路徑中形成雙極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定。在精密放大器(圖 3 中名為“γ 網(wǎng)絡(luò)”)上實(shí)施附加網(wǎng)絡(luò)可以針對這種不穩(wěn)定現(xiàn)象提供補(bǔ)償，但為了實(shí)現(xiàn)更平坦的頻率響應(yīng)，還需要進(jìn)行調(diào)優(yōu)，這就導(dǎo)致在工作范圍內(nèi)建立平坦的頻率響應(yīng)時的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。

使用 BUF802 實(shí)施復(fù)合環(huán)路

實(shí)施分立式復(fù)合環(huán)路的主要限制之一是低頻和高頻路徑之間相互依賴，并需要增加 γ 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，而 TI 的全新 BUF802 高阻態(tài)緩沖器在器件中內(nèi)置了輔助路徑。將精密放大器的輸出連接到輔助路徑會形成復(fù)合環(huán)路，同時可確保低頻和高頻路徑之間相互隔離。隔離不同頻率的路徑可建立更高交叉頻率的區(qū)域，并且無需 γ 網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償電路。低頻和高頻信號分量在 BUF802 內(nèi)部重新組合，在 OUT 引腳上重新呈現(xiàn)，如圖 6 所示。

圖 6：具有內(nèi)部 BUF802 的復(fù)合環(huán)路精密放大器

結(jié)語

BUF802 等集成式 Hi-Z 緩沖器有助于解決基于復(fù)合環(huán)路實(shí)施的復(fù)雜難題。BUF802 的集成保護(hù)功能(如輸入/輸出鉗位)有助于保護(hù)信號鏈中的后續(xù)級，減少過驅(qū)恢復(fù)時間和輸入電容，并提高系統(tǒng)可靠性。

考慮在當(dāng)下應(yīng)用場景中使用 AFE 時，您還必須考慮未來的測量需求，未來通常需要更高的帶寬。BUF802 具備的功能和優(yōu)勢可顯著提高測量精度，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)投資可滿足未來測試要求。

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原文標(biāo)題：技術(shù)干貨|如何使用 Hi-Z 緩沖器簡化 AFE 設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅