【導讀】為了可靠地捕獲高頻信號和快速瞬態脈衝
，示波器和有源探頭等寬帶寬數據采集係統需要滿足以下要求的高性能模擬前端 (AFE) 信號鏈：

●    （至少）支持 1 V_PP 信號，以確保高信噪比。

●    支持直流到 500MHz 的高輸入阻抗（高阻態），以防止加載待測器件。

●    提供低噪聲和低失真，以保持高信號保真度。

●    提供高直流精度。

克服這些設計難題的一種方法是建立基於複合環路的方案，使低頻和高頻信號鏈交錯，以獲得直流精度和較寬的大信號帶寬。

由於部署滿足係統要求的基於複合環路的電路非常複雜，工程師通常需要設計定製的應用特定集成電路 (ASIC) 或使用多個分立式元件
，如圖 1 所示。這兩種方案都存在弊端，包括需要專門的 ASIC 專業知識，同時還會增加設計複雜性。這兩種方案還需要在性能和成本方麵進行權衡：分立式實施比 ASIC 成本低，但不符合性能等級的要求。

圖 1：具有精密放大器模擬前端的分立式緩衝器複合環路

本文將探討與全新 BUF802 Hi-Z 緩衝器單芯片實施相比，分立式緩衝器複合環路實施存在的設計難題。

分立式緩衝器複合環路架構

圖 1 中 Hi-Z AFE 的分立式實施使用在複合環路中配置的精密放大器和基於分立式結型場效應晶體管 (JFET) 的源極跟隨器電路。環路將輸入信號分離為低頻和高頻分量，通過兩個不同的電路將兩個分量傳遞到輸出（傳輸功能）
，並將它們重新組合，呈現為淨輸出信號，如圖 2 所示。

圖 2：分立式複合環路低頻和高頻路徑

低頻路徑提供了網絡轉輸功能良好的直流精度，而基於 JFET 源極跟隨器的高頻路徑為網絡傳輸功能提供了較寬的大信號帶寬以及低噪聲和低失真。圖 2 所suo示shi電dian路lu的de一yi個ge主zhu要yao難nan題ti是shi實shi現xian兩liang條tiao路lu徑jing的de順shun利li交jiao錯cuo，以yi確que保bao平ping坦tan的de頻pin率lv響xiang應ying。兩liang條tiao路lu徑jing的de傳chuan輸shu功gong能neng中zhong的de任ren何he不bu匹pi配pei都dou將jiang導dao致zhi網wang絡luo傳chuan輸shu功gong能neng頻pin率lv響xiang應ying中zhong斷duan
，從cong而er喪sang失shi信xin號hao保bao真zhen度du。

複合環路架構的目標

在直流或低頻下

，CHF（高頻電容器）處於開路狀態，電壓輸出 (VOUT) 由低頻路徑中的精密放大器控製。α 和 β 電阻網絡之比可控製直流或低頻增益。

在高頻下，由於增益帶寬產品的限製，C_HF 短路和精密放大器會用盡帶寬。分立式緩衝器充當 JFET 源，負-正-負發射極跟隨器確定 V_OUT。在圖 3 中，分立式緩衝器級稱為增益 (G)
，用於確定高頻路徑增益。

圖 3：分立式緩衝器複合環路架構

在zai中zhong頻pin下xia，由you於yu低di頻pin和he高gao頻pin路lu徑jing可ke確que定ding輸shu出chu
，因yin此ci為wei了le確que保bao平ping坦tan的de頻pin率lv響xiang應ying
，請qing務wu必bi對dui極ji點dian和he零ling點dian的de單dan獨du增zeng益yi和he交jiao互hu進jin行xing調tiao優you。由you於yu具ju有you相xiang同tong的de分fen量liang，中zhong頻pin下xia的de增zeng益yi均jun衡heng難nan以yi實shi現xian，C_HF 和 R_HF（高頻電阻）將確定低頻和高頻路徑的極點，如圖 4 所示。

圖 4：分立式緩衝器頻率響應

複合環路應具有平坦的頻率響應和較高的交叉頻率區域，以便降低 1/f 噪聲並實現快速過驅恢複。

分立式實施的複雜性

由於低頻路徑和高頻路徑相互依賴（如圖 5 所示），為實現平坦的頻率響應，C_HF 和 C_F（補償電容器）的值達到了數十納法。但這些值致使交叉頻率範圍從幾十赫茲達到幾百赫茲，因而限製了信號鏈的直流噪聲性能。

圖 5：低頻和高頻路徑的相互依賴

以分立方式實施複合環路的另一難題是精密放大器開環增益的極點以及由 R_HF 和 C_HF 組成的電阻器-電容器網絡的極點會導致低頻路徑中形成雙極點網絡，從而導致不穩定。在精密放大器（圖 3 中名為“γ 網絡”）上(shang)實(shi)施(shi)附(fu)加(jia)網(wang)絡(luo)可(ke)以(yi)針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)不(bu)穩(wen)定(ding)現(xian)象(xiang)提(ti)供(gong)補(bu)償(chang)，但(dan)為(wei)了(le)實(shi)現(xian)更(geng)平(ping)坦(tan)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)
，還(hai)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)調(tiao)優(you)，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)在(zai)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)內(nei)建(jian)立(li)平(ping)坦(tan)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)時(shi)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)。

使用 BUF802 實施複合環路

實施分立式複合環路的主要限製之一是低頻和高頻路徑之間相互依賴，並需要增加 γ 網絡進行補償，而 TI 的全新 BUF802 高(gao)阻(zu)態(tai)緩(huan)衝(chong)器(qi)在(zai)器(qi)件(jian)中(zhong)內(nei)置(zhi)了(le)輔(fu)助(zhu)路(lu)徑(jing)。將(jiang)精(jing)密(mi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)連(lian)接(jie)到(dao)輔(fu)助(zhu)路(lu)徑(jing)會(hui)形(xing)成(cheng)複(fu)合(he)環(huan)路(lu)，同(tong)時(shi)可(ke)確(que)保(bao)低(di)頻(pin)和(he)高(gao)頻(pin)路(lu)徑(jing)之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)隔(ge)離(li)。隔(ge)離(li)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)路(lu)徑(jing)可(ke)建(jian)立(li)更(geng)高(gao)交(jiao)叉(cha)頻(pin)率(lv)的(de)區(qu)域(yu)
，並(bing)且(qie)無(wu)需(xu) γ 網絡和補償電路。低頻和高頻信號分量在 BUF802 內部重新組合，在 OUT 引腳上重新呈現，如圖 6 所示。

圖 6：具有內部 BUF802 的複合環路精密放大器

結語

BUF802 等集成式 Hi-Z 緩衝器有助於解決基於複合環路實施的複雜難題。BUF802 的集成保護功能（如輸入/輸出鉗位）有助於保護信號鏈中的後續級
，減少過驅恢複時間和輸入電容，並提高係統可靠性。

考慮在當下應用場景中使用 AFE 時
，您還必須考慮未來的測量需求

，未來通常需要更高的帶寬。BUF802 具備的功能和優勢可顯著提高測量精度，確保係統設計投資可滿足未來測試要求。

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