|
作者：德州儀器 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據采集系統需要滿(mǎn)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。 克服這些設計難題的一種方法是建立基于復合環(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(mǎn)足系統要求的基于復合環(huán)路的電路非常復雜，工程師通常需要設計定制的應用特定集成電路（ASIC）或使用多個(gè)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(zhuān)門(mén)的ASIC專(zhuān)業(yè)知識，同時(shí)還會(huì )增加設計復雜性。這兩種方案還需要在性能和成本方面進(jìn)行權衡：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，分立式緩沖器復合環(huán)路實(shí)施存在的設計難題。 分立式緩沖器復合環(huán)路架構 圖1中Hi-Z AFE的分立式實(shí)施使用在復合環(huán)路中配置的精密放大器和基于分立式結型場(chǎng)效應晶體管（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(guò)兩個(gè)不同的電路將兩個(gè)分量傳遞到輸出（傳輸功能），并將它們重新組合，呈現為凈輸出信號，如圖2所示。
圖2：分立式復合環(huán)路低頻和高頻路徑 低頻路徑提供了網(wǎng)絡(luò )轉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(gè)主要難題是實(shí)現兩條路徑的順利交錯，以確保平坦的頻率響應。兩條路徑的傳輸功能中的任何不匹配都將導致網(wǎng)絡(luò )傳輸功能頻率響應中斷，從而喪失信號保真度。 復合環(huán)路架構的目標 在直流或低頻下，CHF（高頻電容器）處于開(kāi)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(huì )用盡帶寬。分立式緩沖器充當JFET源，負-正-負發(fā)射極跟隨器確定VOUT。在圖3中，分立式緩沖器級稱(chēng)為增益(G)，用于確定高頻路徑增益。
圖3：分立式緩沖器復合環(huán)路架構 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，請務(wù)必對極點(diǎn)和零點(diǎn)的單獨增益和交互進(jìn)行調優(yōu)。由于具有相同的分量，中頻下的增益均衡難以實(shí)現，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 復合環(huán)路應具有平坦的頻率響應和較高的交叉頻率區域，以便降低1/f噪聲并實(shí)現快速過(guò)驅恢復。 分立式實(shí)施的復雜性 由于低頻路徑和高頻路徑相互依賴(lài)（如圖5所示），為實(shí)現平坦的頻率響應，CHF和CF（補償電容器）的值達到了數十納法。但這些值致使交叉頻率范圍從幾十赫茲達到幾百赫茲，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(lài) 以分立方式實(shí)施復合環(huán)路的另一難題是精密放大器開(kāi)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(huì )導致低頻路徑中形成雙極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，從而導致不穩定。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 )可以針對這種不穩定現象提供補償，但為了實(shí)現更平坦的頻率響應，還需要進(jìn)行調優(yōu)，這就導致在工作范圍內建立平坦的頻率響應時(shí)的復雜性進(jìn)一步增加。 使用BUF802實(shí)施復合環(huán)路 實(shí)施分立式復合環(huán)路的主要限制之一是低頻和高頻路徑之間相互依賴(lài)，并需要增加γ網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行補償，而TI的全新BUF802高阻態(tài)緩沖器在器件中內置了輔助路徑。將精密放大器的輸出連接到輔助路徑會(huì )形成復合環(huán)路，同時(shí)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域，并且無(wú)需γ網(wǎng)絡(luò )和補償電路。低頻和高頻信號分量在BUF802內部重新組合，在OUT引腳上重新呈現，如圖6所示。
圖6：具有內部BUF802的復合環(huán)路精密放大器 結語(yǔ) BUF802等集成式Hi-Z緩沖器有助于解決基于復合環(huán)路實(shí)施的復雜難題。BUF802的集成保護功能（如輸入/輸出鉗位）有助于保護信號鏈中的后續級，減少過(guò)驅恢復時(shí)間和輸入電容，并提高系統可靠性。 考慮在當下應用場(chǎng)景中使用AFE時(shí)，您還必須考慮未來(lái)的測量需求，未來(lái)通常需要更高的帶寬。BUF802具備的功能和優(yōu)勢可顯著(zhù)提高測量精度，確保系統設計投資可滿(mǎn)足未來(lái)測試要求。 其他資源 · BUF802數據表的第9.1節提供了為實(shí)現平坦的頻率響應選擇分立式元件的詳細分析和計算。 · 適用于高速示波器和寬帶數字轉換器的12.8GSPS模擬前端參考設計說(shuō)明了復合環(huán)路AFE設計中BUF802的性能以及測量分析功能。 |
