電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))緩沖放大器作為一種特殊的電路，雖然以運(yùn)算放大器為核心組成，但多用于隔離、阻抗匹配、增強(qiáng)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(gè)分立元件，諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、保護(hù)二極管和晶體管。這種設(shè)計(jì)下的緩沖放大器，一來(lái)成本高，二來(lái)系統(tǒng)復(fù)雜，還無(wú)法提供與ASIC相同的帶寬，大大限制了信號(hào)吞吐量。

為了解決此類(lèi)問(wèn)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(hào)帶寬以及7000V/μs的壓擺率能實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)吞吐量并大幅縮短輸入穩(wěn)定時(shí)間。

作為業(yè)界領(lǐng)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(guān)注，為了探究BUF802背后的技術(shù)特點(diǎn)，電子發(fā)燒友網(wǎng)就相關(guān)技術(shù)問(wèn)題與德州儀器(TI)高速運(yùn)算放大器系統(tǒng)工程主管Shreenidhi Patil進(jìn)行了交流。

復(fù)合環(huán)路友好型架構(gòu)提升設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性

BUF802的單芯片緩沖放大器方案最主要的特點(diǎn)在于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性。從下圖中可見(jiàn)，由精密環(huán)路和高速環(huán)路組成的復(fù)合環(huán)路要求對(duì)每個(gè)單獨(dú)的環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償和匹配。BUF802采用創(chuàng)新的復(fù)合環(huán)路友好型架構(gòu)，簡(jiǎn)化了多環(huán)路的設(shè)計(jì)和補(bǔ)償。在復(fù)合環(huán)路中，該器件能夠在需要1μV/℃最大溫漂的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高直流精度和3GHz帶寬。

對(duì)于任何緩沖放大器來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合循環(huán)架構(gòu)最大的限制來(lái)自低頻和高頻路徑之間的相互依賴(lài)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(lài)性(如下圖所示)。這使得設(shè)計(jì)人員能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)低頻和高頻路徑，從而簡(jiǎn)化這兩條路徑的補(bǔ)償和匹配。

低頻和高頻路徑的解耦使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒔徊鎱^(qū)域推到更高的頻率，從而實(shí)現(xiàn)更好的過(guò)載恢復(fù)、更低的噪聲和更小的元件尺寸。BUF802將來(lái)自精密放大器的低頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效電流，然后用來(lái)改變主JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的偏置。這種架構(gòu)將低頻信號(hào)添加到高頻信號(hào)中，而不會(huì)在兩條路徑之間產(chǎn)生任何閉合環(huán)路或正反饋。

增強(qiáng)電路過(guò)載恢復(fù)與ESD保護(hù)

在某些測(cè)量應(yīng)用中，雖然不少半導(dǎo)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(huì)因?yàn)镋SD(靜電放電)對(duì)放大電路造成損害。同時(shí)，器件可能進(jìn)入從輸入或輸出過(guò)度驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的飽和狀態(tài)中，這同樣會(huì)對(duì)器件造成損害。

ESD對(duì)于放大電路的損害主要從結(jié)構(gòu)和二極管上來(lái)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(shè)計(jì)人員能夠保護(hù)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(hù)電路來(lái)確認(rèn)快速的過(guò)載回復(fù)，施加在CLH和CLL以及內(nèi)部電壓節(jié)點(diǎn)上的電壓可以確保輸出端的晶體管不會(huì)硬飽和。但為了達(dá)到快速恢復(fù)的效果，BUF802犧牲了軌到軌輸出的實(shí)現(xiàn)。Shreenidhi Patil也表示，對(duì)于這種取舍，還是要視具體應(yīng)用而定，例如在AFE中，高達(dá)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(wú)法實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入及輸出的影響。

添加緩沖器時(shí)如何保證精度與性能?

在了解了高阻抗緩沖器業(yè)界領(lǐng)先性能背后的技術(shù)特點(diǎn)后，Shreenidhi Patil以BUF802為例介紹了如何在給系統(tǒng)添加緩沖器時(shí)候保證性能。就BUF802來(lái)說(shuō)，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(hào)鏈一起使用。復(fù)合環(huán)路中的直流精度則由精密放大器決定，因此設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇合適的精密放大器來(lái)輕松選擇直流精度。

高阻抗緩沖器能夠輸入幫助設(shè)計(jì)人員將現(xiàn)有的AFE轉(zhuǎn)換為高輸入阻抗AFE。在這些設(shè)計(jì)中，確保原始信號(hào)鏈的SNR和THD不會(huì)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(yīng)該要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于AFE信號(hào)鏈。

原文標(biāo)題：TI技術(shù)專(zhuān)訪：挖掘高帶寬高阻抗緩沖放大器背后的特色技術(shù)設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅