TI技術專訪：挖掘高帶寬高阻抗緩沖放大器背后的特色技術設計

緩沖放大器作為一種特殊的電路，雖然以運算放大器為核心組成，但多用于隔離、阻抗匹配、增強電路輸出能力，反而不太注重放大能力。此前的緩沖放大器，大多基于FET輸入放大器的分立式方案，需要數(shù)十個分立元件，諸如場效應晶體管、保護二極管和晶體管。這種設計下的緩沖放大器，一來成本高，二來系統(tǒng)復雜，還無法提供與ASIC相同的帶寬，大大限制了信號吞吐量。

為了解決此類問題，TI在不久前發(fā)布了具有業(yè)界超寬帶寬的高輸入阻抗（Hi-Z）緩沖放大器BUF802。BUF802 3.1GHz的大信號帶寬以及7000V/μs的壓擺率能實現(xiàn)更高的信號吞吐量并大幅縮短輸入穩(wěn)定時間。

（圖源：TI，下同）

作為業(yè)界領先的放大器廠商，TI BUF802的單芯片緩沖放大器方案發(fā)布后引得了不少關注，為了探究BUF802背后的技術特點，電子發(fā)燒友網(wǎng)就相關技術問題與德州儀器（TI）高速運算放大器系統(tǒng)工程主管Shreenidhi Patil進行了交流。

復合環(huán)路友好型架構提升設計簡易性

BUF802的單芯片緩沖放大器方案最主要的特點在于其設計簡易性。從下圖中可見，由精密環(huán)路和高速環(huán)路組成的復合環(huán)路要求對每個單獨的環(huán)路進行補償和匹配。BUF802采用創(chuàng)新的復合環(huán)路友好型架構，簡化了多環(huán)路的設計和補償。在復合環(huán)路中，該器件能夠在需要1μV/℃最大溫漂的應用中實現(xiàn)高直流精度和3GHz帶寬。

對于任何緩沖放大器來說，實現(xiàn)復合循環(huán)架構最大的限制來自低頻和高頻路徑之間的相互依賴性。據(jù)Shreenidhi Patil介紹，為了克服這一限制，BUF802可解耦低頻和高頻路徑之間的相互依賴性（如下圖所示）。這使得設計人員能夠獨立設計低頻和高頻路徑，從而簡化這兩條路徑的補償和匹配。

低頻和高頻路徑的解耦使設計人員能夠?qū)⒔徊鎱^(qū)域推到更高的頻率，從而實現(xiàn)更好的過載恢復、更低的噪聲和更小的元件尺寸。BUF802將來自精密放大器的低頻電壓信號轉(zhuǎn)換為等效電流，然后用來改變主JFET（結型場效應晶體管）的偏置。這種架構將低頻信號添加到高頻信號中，而不會在兩條路徑之間產(chǎn)生任何閉合環(huán)路或正反饋。

增強電路過載恢復與ESD保護

在某些測量應用中，雖然不少半導體制造商提供的緩沖放大器具有低偏置和輸入偏置電流，但配上傳感器電纜仍然可能會因為ESD（靜電放電）對放大電路造成損害。同時，器件可能進入從輸入或輸出過度驅(qū)動導致的飽和狀態(tài)中，這同樣會對器件造成損害。

ESD對于放大電路的損害主要從結構和二極管上來解決，如下圖。圖中的D1和D2二極管能夠承受100 mA的連續(xù)電流，從而使電路設計人員能夠保護IN引腳免受任何ESD沖擊以及高壓瞬變的影響。

BUF802加入了輸出保護電路來確認快速的過載回復，施加在CLH和CLL以及內(nèi)部電壓節(jié)點上的電壓可以確保輸出端的晶體管不會硬飽和。但為了達到快速恢復的效果，BUF802犧牲了軌到軌輸出的實現(xiàn)。Shreenidhi Patil也表示，對于這種取舍，還是要視具體應用而定，例如在AFE中，高達4 Vpp的輸入和輸出電壓范圍已經(jīng)可以滿足大多數(shù)用例的需求，也極大地降低BUF802無法實現(xiàn)軌到軌輸入及輸出的影響。

添加緩沖器時如何保證精度與性能？

在了解了高阻抗緩沖器業(yè)界領先性能背后的技術特點后，Shreenidhi Patil以BUF802為例介紹了如何在給系統(tǒng)添加緩沖器時候保證性能。就BUF802來說，其2.8 nV /sqHz的噪聲系數(shù)和大于50 dB THD @ 1 GHz的總諧波失真，可確保與任何高帶寬AFE信號鏈一起使用。復合環(huán)路中的直流精度則由精密放大器決定，因此設計人員可以通過選擇合適的精密放大器來輕松選擇直流精度。

高阻抗緩沖器能夠輸入幫助設計人員將現(xiàn)有的AFE轉(zhuǎn)換為高輸入阻抗AFE。在這些設計中，確保原始信號鏈的SNR和THD不會因在輸入端添加緩沖器而降低非常重要。為了保證給系統(tǒng)添加緩沖器不影響精度和性能，緩沖器本身自身的噪聲和失真性能應該要遠遠優(yōu)于AFE信號鏈。