電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠(yuǎn))緩沖放大器作為一種特殊的電路，雖然以運算放大器為核心組成，但多用于隔離、阻抗匹配、增強電路輸出能力，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)十個分立元件，諸如場效應(yīng)晶體管、保護(hù)二極管和晶體管。這種設(shè)計下的緩沖放大器，一來成本高，二來系統(tǒng)復(fù)雜，還無法提供與ASIC相同的帶寬，大大限制了信號吞吐量。

為了解決此類問題，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的大信號帶寬以及7000V/μs的壓擺率能實現(xiàn)更高的信號吞吐量并大幅縮短輸入穩(wěn)定時間。

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，電子發(fā)燒友網(wǎng)就相關(guān)技術(shù)問題與德州儀器(TI)高速運算放大器系統(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)計簡易性

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

對于任何緩沖放大器來說，實現(xiàn)復(fù)合循環(huán)架構(gòu)最大的限制來自低頻和高頻路徑之間的相互依賴性。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性(如下圖所示)。這使得設(shè)計人員能夠獨立設(shè)計低頻和高頻路徑，從而簡化這兩條路徑的補償和匹配。

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

增強電路過載恢復(fù)與ESD保護(hù)

在某些測量應(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因為ESD(靜電放電)對放大電路造成損害。同時，器件可能進(jìn)入從輸入或輸出過度驅(qū)動導(dǎo)致的飽和狀態(tài)中，這同樣會對器件造成損害。

ESD對于放大電路的損害主要從結(jié)構(gòu)和二極管上來解決，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)電路來確認(rèn)快速的過載回復(fù)，施加在CLH和CLL以及內(nèi)部電壓節(jié)點上的電壓可以確保輸出端的晶體管不會硬飽和。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現(xiàn)。Shreenidhi Patil也表示，對于這種取舍，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無法實現(xiàn)軌到軌輸入及輸出的影響。

添加緩沖器時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)特點后，Shreenidhi Patil以BUF802為例介紹了如何在給系統(tǒng)添加緩沖器時候保證性能。就BUF802來說，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)計人員可以通過選擇合適的精密放大器來輕松選擇直流精度。

高阻抗緩沖器能夠輸入幫助設(shè)計人員將現(xiàn)有的AFE轉(zhuǎn)換為高輸入阻抗AFE。在這些設(shè)計中，確保原始信號鏈的SNR和THD不會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信號鏈。

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

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審核編輯：湯梓紅