利用高Z缓冲器简化高性能模拟前端信号链的设计

为了可靠地捕获高频信号和快速瞬态脉冲，示波器和有源探头等宽带数据采集系统需要满足以下要求的高性能模拟前端(AFE)信号链：

(至少)支持1个VPP信号，以确保高信噪比。

支持从DC到500MHz的高输入阻抗(高阻抗状态)，以防止被测器件加载。

提供低噪声和低失真，以保持高信号保真度。

提供高DC精度。

克服这些设计问题的一种方法是构建基于复合环路的方案，使低频和高频信号链交错，从而获得DC精度和宽的大信号带宽。

由于部署满足系统要求的复合环基电路非常复杂，工程师通常需要设计定制的专用集成电路(ASIC)或使用多个分立元件，如图1所示。两种方案都有缺点，包括需要专门的专用集成电路专业知识，同时增加了设计的复杂性。这两种方案也需要在性能和成本上进行权衡：分立实现的成本低于ASIC，但不符合性能水平的要求。

图1:带精密放大器模拟前端的分立缓冲复合环路

本文将讨论离散缓冲复合环路的设计问题，并与新的BUF802 Hi-Z缓冲单芯片实现进行比较。

离散缓冲复合环路架构

图1中高阻抗AFE的分立实现使用复合环路中配置的精密放大器和基于分立结场效应晶体管(JFET)的源极跟随器电路。该环路将输入信号分成低频和高频分量，通过两个不同的电路(传输函数)将这两个分量传输到输出端，然后将它们重新组合以呈现净输出信号，如图2所示。

图2:离散复合环路的低频和高频路径

低频路径提供良好的网络传递函数DC精度，而基于JFET源跟随器的高频路径为网络传递函数提供宽的大信号带宽、低噪声和低失真。图2所示电路的主要困难之一是实现两条路径的平滑交错，以确保平坦的频率响应。两条路径的传输函数之间的任何不匹配都会导致网络传输函数的频率响应中断，从而失去信号保真度。

复合循环架构的目标

在DC或低频时，CHF(高频电容)处于开路状态，电压输出(VOUT)由低频路径中的精密放大器控制。和电阻网络的比值可以控制DC或低频增益。

在高频时，由于增益带宽积的限制，CHF短路和精密放大器会耗尽带宽。分立缓冲器充当JFET源，负正负射极跟随器决定VOUT。在图3中，离散缓冲级被称为增益(g)，用于确定高频路径增益。

图3:离散缓冲复合环路架构

在中频，由于低频和高频路径可以决定输出，为了确保平坦的频率响应，优化独立增益以及极点和零点的相互作用非常重要。由于成分相同，很难在中频实现增益均衡。CHF和RHF(高频电阻)将决定低频和高频路径的极点，如图4所示。

图4:分立缓冲器的频率响应

复合环路应具有平坦的频率响应和高交叉频率区域，以降低1/f噪声并实现快速过驱恢复。

离散实现的复杂性

因为低频路径和高频路径相互依赖(如图5所示)，为了实现平坦的频率响应，CHF和CF(补偿电容)的值达到几十纳法。然而，这些值导致交叉频率范围从几十赫兹到几百赫兹，从而限制了信号链的DC噪声性能。

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图 5：低频和高频路径的相互依赖

以分立方式实施复合环路的另一难题是精密放大器开环增益的极点以及由 RHF 和 CHF 组成的电阻器-电容器网络的极点会导致低频路径中形成双极点网络，从而导致不稳定。在精密放大器(图 3 中名为“γ 网络”)上实施附加网络可以针对这种不稳定现象提供补偿，但为了实现更平坦的频率响应，还需要进行调优，这就导致在工作范围内建立平坦的频率响应时的复杂性进一步增加。

使用 BUF802 实施复合环路

实施分立式复合环路的主要限制之一是低频和高频路径之间相互依赖，并需要增加 γ 网络进行补偿，而 TI 的全新 BUF802 高阻态缓冲器在器件中内置了辅助路径。将精密放大器的输出连接到辅助路径会形成复合环路，同时可确保低频和高频路径之间相互隔离。隔离不同频率的路径可建立更高交叉频率的区域，并且无需 γ 网络和补偿电路。低频和高频信号分量在 BUF802 内部重新组合，在 OUT 引脚上重新呈现，如图 6 所示。

图 6：具有内部 BUF802 的复合环路精密放大器

结语

BUF802 等集成式 Hi-Z 缓冲器有助于解决基于复合环路实施的复杂难题。BUF802 的集成保护功能(如输入/输出钳位)有助于保护信号链中的后续级，减少过驱恢复时间和输入电容，并提高系统可靠性。

考虑在当下应用场景中使用 AFE 时，您还必须考虑未来的测量需求，未来通常需要更高的带宽。BUF802 具备的功能和优势可显著提高测量精度，确保系统设计投资可满足未来测试要求。