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作者:Leaphar Castro

 

為了確實擷取高頻率訊號與快速瞬態脈衝,示波器與主動探測器等寬頻寬資料收集系統需要能滿足以下條件的高效能類比前端(類比前端)訊號鏈:

  • 支援(至少)1 VPP 訊號,確保高訊噪比。
  • 支援直流至500 MHz的高輸入阻抗(Hi-Z),避免測試裝置負載。
  • 達成低雜訊與失真,保持高訊號保真度。
  • 達成高直流精密度。

其中一項克服前述設計挑戰的方式,即以複合環路基礎的方法將低頻與高頻率訊號鏈交錯,以獲得直流精密度與更寬的大訊號頻寬。

 

利用BUF802達成ASIC等級效能

 

觀看影片《BUF802:寬頻寬、高輸入阻抗JFET緩衝器》學習如何更確實地擷取寬頻寬系統高頻率訊號與快速瞬態脈衝

有鑑於實作採用可滿足系統要求的複合環路電路相當複雜,工程師通常必須設計客製的特定應用積體電路(ASIC)或使用多個離散式元件,如圖1 所示。這兩種選擇各有其弊,包括需要專門ASIC專業知識和使設計更為複雜等。兩種方法的效能和成本亦各有需權衡取捨之處:離散式實作的成本比ASIC低,但效能比不上ASIC。

 

1:具有精密放大器類比前端的離散式緩衝器複合環路

 

本文中,筆者將探討離散式緩衝器複合環路實作與 BUF802 Hi-Z 緩衝器單晶片實作的設計挑戰。

 

離散式緩衝器複合環路架構

圖1的Hi-Z類比前端離散式實作使用精密放大器,以及採用離散式接面場效應電晶體(JFET)、並在複合環路中配置源極式隨耦器電路。環路將輸入訊號分成低頻與高頻分量,透過兩個不同的電路(傳遞函數)將這兩個分量送到輸出端,再重新組合這兩個分量,以再現淨輸出訊號,如圖2所示。

2:離散式複合環路的低頻與高頻路徑

 

低頻路徑使淨轉移函數達成良好的直流精密度,而採用JFET源極式隨耦器的高頻路徑使淨轉移函數得以具備更寬的大訊號頻寬以及低雜訊和失真。圖2所示電路其中一項主要挑戰是使兩種路徑得以平順交錯,以確保平直的頻率響應。兩種路徑的轉移函數出現任何失配,都會導致淨轉移函數頻率響應的不連續性,進而導致訊號保真度降低。

 

複合環路架構的目標    

在直流或低頻時,CHF (高頻率電容器)為開路,電壓輸出 (VOUT)由低頻路徑中的精密放大器控制。Alpha和beta電阻網路的比率可控制直流或低頻增益。

高頻時,CHF 為短路,而且精密放大器在有限的增益頻寬乘積下耗盡頻寬。離散式緩衝器做為JFET源極,負正負射極隨耦器將決定VOUT。圖3中稱為增益(G)的緩衝區段將決定高頻路徑增益。

3:離散式緩衝器複合環路架構

 

中頻時,由於低頻與高頻路徑決定輸出,審慎調整各個增益以及極點和零點的相互作用對於確保平直的頻率響應至關重要。中頻增益均衡的實作具有相當挑戰性,因為相同元件CHF 和RHF (高頻率電阻)將決定低頻和高頻路徑的極點,如圖4所示。

 

4:離散式緩衝器頻率響應

 

複合環路應該具有平直的頻率響應和高交越頻率區域,以達成低 1/f 雜訊和快速過驅恢復。

 

離散式實作的複雜性

有鑑於低頻與高頻路徑的互依性,如圖5所示,CHF 和CF (補償電容器)的值以數十奈法拉為單位,以達成平直的頻率響應。但是,這些值會導致數十至數百赫茲的交越頻率範圍,可能限制訊號鏈的直流雜訊效能。

  

5:低頻與高頻路徑的互依性

 

離散式複合環路實作的另一項挑戰,是精密放大器開環增益的極點和RHF 與CHF 電阻電容線路的極點對於低頻路徑中的雙極點網路造成影響,導致不穩定。在精密放大器上實作額外網路(圖3中標記為gamma網路)將補償這種不穩定性,但需要調整才能達到更平直的頻率響應,使在整個操作範圍達成平順頻率響應更為複雜。

 

BUF802實作複合環路 

由於實作離散式複合環路的主要限制之一是低頻與高頻路徑間的互依性,以及需要額外的gamma網路進行補償,BUF802可於裝置內部提供輔助路徑。連接精密放大器的輸出與輔助路徑,可建立複合環路,同時確保低頻與高頻路徑彼此隔離。隔離不同頻率路徑會建立更高的交越頻率區域,並消除gamma網路與補償電路。低頻與高頻訊號分量在BUF802內部重新組合,並於OUT針腳再現,如圖6所示。

 

6:具有內部BUF802的複合環路精密放大器

 

結論

BUF802等整合式Hi-Z緩衝器有助於解決複合環路實作的複雜挑戰。BUF802的輸入/輸出箝位等整合式保護功能有助於保護訊號鏈中的後續區段,減少超驅復原時間與輸入電容,並提高系統可靠性。

考量用於現今應用的類比前端時,須同時考量未來量測需求,而這通常需要額外頻寬,這樣的額外頻寬於量測準確度與確保系統設計投資與未來測試規範持續相關方面,可發揮極大作用。

 

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