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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高性能模擬前端 (AFE) 信號鏈，該信號鏈必須能夠：

• （至少）支持 1 V PP信號，以確保高信噪比。
• 支持 DC 至 500 MHz 的高輸入阻抗 (Hi-Z)，以防止被測設(shè)備負載。
• 提供低噪聲和失真以保持高信號保真度。
• 提供高直流精度。

克服這些設(shè)計挑戰(zhàn)的一種方法是創(chuàng)建一種基于復(fù)合環(huán)路的方法，該方法將低頻和高頻信號鏈交錯，以獲得直流精度和寬大的信號帶寬。

使用 BUF802 實現(xiàn) ASIC 級性能

在視頻“ BUF802：寬帶、高輸入阻抗 JFET 緩沖器”中了解如何更可靠地捕獲寬帶采集系統(tǒng)中的高頻信號和快速瞬態(tài)脈沖。

鑒于實現(xiàn)滿足系統(tǒng)要求的基于復(fù)合環(huán)路的電路的復(fù)雜性，工程師通常必須設(shè)計定制的專用集成電路 (ASIC) 或使用多個分立元件，如圖 1 所示。這兩種選擇都有缺點，包括需要 ASIC 的專業(yè)知識和額外的設(shè)計復(fù)雜性。這兩種方法在性能和成本方面也有權(quán)衡：離散實現(xiàn)比 ASIC 便宜，但無法與它們的性能水平相匹配。

圖 1：帶有精密放大器 AFE 的分立緩沖器復(fù)合環(huán)路

在本文中，我將探討離散緩沖器復(fù)合環(huán)路實現(xiàn)與使用BUF802 Hi-Z 緩沖器的單芯片實現(xiàn)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

離散緩沖器復(fù)合循環(huán)架構(gòu)

圖 1 中 Hi-Z AFE 的分立式實現(xiàn)使用精密放大器和基于分立結(jié)場效應(yīng)晶體管 (JFET) 的源極跟隨器電路，配置在復(fù)合環(huán)路中。環(huán)路將輸入信號分成低頻和高頻分量，通過兩個不同的電路（傳遞函數(shù)）將這兩個分量帶到輸出端，并將它們重新組合以再現(xiàn)凈輸出信號，如圖 2 所示。

圖 2：離散復(fù)合環(huán)路低頻和高頻路徑

低頻路徑為凈傳遞函數(shù)提供了良好的直流精度，而基于 JFET 源極跟隨器的高頻路徑使凈傳遞函數(shù)具有寬大的信號帶寬，以及低噪聲和低失真。圖 2 所示電路的主要挑戰(zhàn)之一是實現(xiàn)兩條路徑的平滑交錯，以確保平坦的頻率響應(yīng)。兩條路徑的傳遞函數(shù)的任何不匹配都會導(dǎo)致凈傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)的不連續(xù)性，從而導(dǎo)致信號保真度的損失。

復(fù)合循環(huán)架構(gòu)的目標

在直流或低頻時，C HF（高頻電容器）開路，電壓輸出（V OUT）由低頻路徑中的精密放大器控制。阿爾法和貝塔電阻網(wǎng)絡(luò)的比率控制直流或低頻增益。

在高頻下，C HF短路，精密放大器在有限的增益帶寬積下耗盡帶寬。分立緩沖器用作 JFET 源極，負正負射極跟隨器決定 V OUT。圖 3 中稱為增益 (G) 的離散緩沖級決定了高頻路徑增益。

圖 3：離散緩沖器復(fù)合循環(huán)架構(gòu)

在中頻，由于低頻和高頻路徑都決定了輸出，因此仔細調(diào)整各個增益以及極點和零點的相互作用對于確保平坦的頻率響應(yīng)非常重要。實現(xiàn)中頻增益均衡具有挑戰(zhàn)性，因為相同的組件 C HF和 R HF（高頻電阻）決定了低頻和高頻路徑的極點，如圖 4 所示。

圖 4：離散緩沖器頻率響應(yīng)

復(fù)合環(huán)路應(yīng)具有平坦的頻率響應(yīng)和高交叉頻率區(qū)域，以實現(xiàn)低 1/f 噪聲和快速過驅(qū)動恢復(fù)。

離散實現(xiàn)的復(fù)雜性

鑒于低頻和高頻路徑的相互依賴性，如圖 5 所示，C HF和 C F（補償電容器）的值以數(shù)十納法為單位，以實現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)。但這些值會導(dǎo)致數(shù)十至數(shù)百赫茲的交叉頻率范圍，這會限制信號鏈的直流噪聲性能。

圖 5：低頻和高頻路徑的相互依賴性

離散實現(xiàn)復(fù)合環(huán)路的另一個挑戰(zhàn)是精密放大器開環(huán)增益的極點和 R HF和 C HF的電阻電容網(wǎng)絡(luò)的極點對低頻路徑中的雙極點網(wǎng)絡(luò)有貢獻，從而導(dǎo)致在不穩(wěn)定。在精密放大器上實施一個額外的網(wǎng)絡(luò)（在圖 3 中標記為伽馬網(wǎng)絡(luò)）將補償這種不穩(wěn)定性，但需要調(diào)整以實現(xiàn)更平坦的頻率響應(yīng)，進一步增加了創(chuàng)建平滑頻率響應(yīng)的復(fù)雜性。操作范圍。

使用 BUF802 實現(xiàn)復(fù)合循環(huán)

由于實現(xiàn)分立復(fù)合環(huán)路的主要限制之一是低頻和高頻路徑之間的相互依賴性以及需要額外的伽馬網(wǎng)絡(luò)進行補償，因此 BUF802 在器件內(nèi)部具有輔助路徑。將精密放大器的輸出連接到輔助路徑會創(chuàng)建一個復(fù)合環(huán)路，同時確保低頻和高頻路徑之間的隔離。隔離不同的頻率路徑會創(chuàng)建更高的交叉頻率區(qū)域并消除伽馬網(wǎng)絡(luò)和補償電路。低頻和高頻信號分量在 BUF802 內(nèi)部重新組合，并在 OUT 引腳處再現(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)論

諸如 BUF802 之類的集成 Hi-Z 緩沖器有助于解決基于復(fù)合循環(huán)實現(xiàn)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。BUF802 的輸入/輸出鉗位等集成保護功能有助于保護信號鏈中的后續(xù)階段，減少過驅(qū)動恢復(fù)時間和輸入電容，并提高系統(tǒng)可靠性。

在為當今的應(yīng)用考慮 AFE 時，您還必須牢記未來的測量需求，這通常需要額外的帶寬。這種帶寬可以大大提高測量精度，并確保系統(tǒng)設(shè)計投資與未來的測試要求保持相關(guān)。

審核編輯：符乾江