如何使用Hi-Z緩沖器簡(jiǎn)化AFE設(shè)計(jì)

為了可靠地捕獲高頻信號(hào)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(mǎn)足以下要求的高性能模擬前端（AFE）信號(hào)鏈：

●   （至少）支持1 VPP信號(hào)，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(cè)器件。

●   提供低噪聲和低失真，以保持高信號(hào)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(hào)鏈交錯(cuò)，以獲得直流精度和較寬的大信號(hào)帶寬。

由于部署滿(mǎn)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(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(shí)，同時(shí)還會(huì)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(jí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）的源極跟隨器電路。環(huán)路將輸入信號(hào)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(xiàn)為凈輸出信號(hào)，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(hào)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(xiàn)兩條路徑的順利交錯(cuò)，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(hào)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(kāi)路狀態(tài)，電壓輸出（V_OUT）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(dāng)JFET源，負(fù)-正-負(fù)發(fā)射極跟隨器確定V_OUT。在圖3中，分立式緩沖器級(jí)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(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(qǐng)務(wù)必對(duì)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(guò)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(lài)（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(hào)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(fù)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(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(duì)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(shí)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(lài)，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(huì)形成復(fù)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(qū)域，并且無(wú)需γ網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償電路。低頻和高頻信號(hào)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(yǔ)

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(hào)鏈中的后續(xù)級(jí)，減少過(guò)驅(qū)恢復(fù)時(shí)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(chǎng)景中使用AFE時(shí)，您還必須考慮未來(lái)的測(cè)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(shì)可顯著提高測(cè)量精度，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)投資可滿(mǎn)足未來(lái)測(cè)試要求。