作者：德州儀器 Leaphar Castro
為了確實擷取高頻訊號和快速瞬態脈衝，示波器和主動探針之類的寬頻資料採集系統需要高效能類比前端 (AFE) 訊號鏈，此訊號鏈必須能夠：
- (至少) 支援 1 VPP 訊號，藉以確實達到高訊號雜訊比。
- 支援 DC 至 500 MHz 的高輸入阻抗 (Hi-Z)，藉以防止受測裝置負載。
- 提供低雜訊和失真以保持高訊號保真度。
- 提供高直流精密度。
克服這些設計挑戰的其中一種方法是建立採用複合環路的方法，這種方法將低頻和高頻訊號鏈交錯，藉以獲得直流精密度和相當大的訊號頻寬。
有鑑於實作採用複合環路滿足系統要求的電路有其複雜性，工程師通常必須設計自訂的特定應用積體電路 (ASIC) 或使用多個離散式零組件，如圖 1 所示。這兩種選擇都有美中不足之處，包括需要專業的 ASIC 專業知識和加重的設計複雜性。這兩種方法的效能和成本也有需要權衡取捨之處：離散實作的成本比 ASIC 低，當然效能完全無法比擬。
圖 1：具有精密度放大器類比前端的離散式緩衝器複合環路
本文將探討離散式緩衝器複合環路實作與新型 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 中 Hi-Z AFE 的離散實作使用精密度放大器和採用離散式接面場效應電晶體 (JFET) 並在複合環路中配置的源極隨耦器電路。環路將輸入訊號分成低頻和高頻分量，透過兩個不同的電路 (傳遞函數) 將這兩個分量送到輸出端，並重新組合這兩個分量以再現淨輸出訊號，如圖 2 所示。
圖 2：離散式複合環路低頻和高頻路徑
低頻路徑促使淨傳遞函數達到良好的直流精密度，而採用 JFET 源極隨耦器的高頻路徑促使淨傳遞函數具有相當大的訊號頻寬，以及低雜訊和失真。圖 2 所示的電路本身的其中一項主要挑戰是實作兩條路徑的平順交錯，藉以確保平坦的頻率回應。兩條路徑的傳遞函數出現的任何不相符都會導致淨傳遞函數頻率回應的不連續性，因而導致訊號保真度降低。
複合環路架構的目標
在 DC 或低頻時，CHF (高頻電容器) 為開路，電壓輸出 (VOUT) 由低頻路徑中的精密度放大器控制。α 和 β 電阻網路的比率可控制直流或低頻增益。
在高頻下，CHF 為短路，而且精密度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，負正負射極隨耦將決定 VOUT。圖 3 中稱為增益 (G) 的高頻路徑增益將決定高頻路徑增益。
圖 3：離散式緩衝器複合環路架構
在中頻，由於低頻和高頻路徑決定輸出，因此仔細調整各個增益以及極點和零點的相互作用對於確保平坦的頻率回應而言相當重要。實作中頻增益均衡相當有挑戰性，因為相同的元件 CHF 和 RHF (高頻電阻) 將決定低頻和高頻路徑的極點，如圖 4 所示。
圖 4：離散式緩衝器頻率回應
複合環路應該具有平坦的頻率回應和高交越頻率區域，藉以實作低 1/f 雜訊和快速過驅恢復。
離散實作的複雜性
有鑑於低頻和高頻路徑的互依性，如圖 5 所示，CHF 和 CF (補償電容器) 的值以數十奈法拉為單位，藉以實作平坦的頻率回應。不過這些值會導致數十至數百赫茲的交越頻率範圍，這會限制訊號鏈的直流雜訊效能。
圖 5：低頻和高頻路徑的互依性
離散實作複合環路的另一項挑戰是，精密度放大器開環增益的極點以及 RHF 和 CHF 的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，因而導致不穩定。在精密度放大器上實作額外的網路 (在圖 3 中標記為 γ 網路) 將補償這種不穩定性，不過需要調整才能達到更平坦的頻率回應，因此對於整個操作範圍進一步增加達到平順頻率回應的複雜性。
使用 BUF802 實作複合環路
由於實作離散式複合環路的其中一項主要限制是低頻和高頻路徑之間的互依性以及需要額外的 γ 網路進行補償，因此 TI 的新型 BUF802 Hi-Z 緩衝器在裝置內部提供輔助路徑。將精密度放大器的輸出連接到輔助路徑可建立複合環路，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建立更高的交越頻率區域並消除 γ 網路和補償電路。低頻和高頻訊號分量在 BUF802 內部重新組合，並在 OUT 針腳再現，如圖 6 所示。
圖 6：具有內部 BUF802 的複合環路精密度放大器
結論
BUF802 之類的整合式 Hi-Z 緩衝器有助於解決採用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階段，藉以縮減超速驅動復原時間和輸入電容，並提高系統可靠性。
對於現今的應用考量 AFE 時，您也必須牢記未來的測量需求，這通常需要額外的頻寬。對於測量精密度，以及對於確保系統設計投資與未來測試要求保持相關，BUF802 提供的功能和優勢相當有助益。
其他資源
- 對於選擇離散式零組件實作平坦的頻率回應，BUF802 產品規格書的第 9.1 節進行詳細的分析和計算。
- 高速示波器和寬頻數位轉換器的 12.8 GSPS 類比前端參考設計說明 BUF802 在具有測量分析功能的複合環路 AFE 設計中展現的效能。
