利用低成本高速放大器實(shí)現(xiàn)靈活的時(shí)鐘緩沖器

與典型的時(shí)鐘緩沖應(yīng)用相比，消費(fèi)類電子應(yīng)用的工作頻率較低，需求較少，采用低成本的高速運(yùn)算放大器(~100MHz帶寬)可以提供比傳統(tǒng)的時(shí)鐘緩沖器更具吸引力的替代方案。高速放大器比傳統(tǒng)的時(shí)鐘緩沖器更便宜，同時(shí)也能適應(yīng)更多種類的設(shè)計(jì)配置。

對于低成本的時(shí)鐘緩沖器而言，ADA4850 (-1/-2)、ADA4851 (-1/-2/-4)、ADA4853 (-1/-2/-3)和AD8061單電源運(yùn)算放大器都是很好的選擇。這些放大器都具有低電源電壓、低電源電流、支持功耗敏感應(yīng)用的省電模式，以及軌對軌輸出等特性，可以實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。

與傳統(tǒng)的時(shí)鐘緩沖器相比，運(yùn)算放大器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有靈活性。運(yùn)算放大器可以將時(shí)鐘脈沖進(jìn)行緩沖、放大、失調(diào)、反向、相加、相減或?yàn)V波。它們提供高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低電源電流、獨(dú)立的省電模式(針對單個(gè)封裝中的多個(gè)放大器)、低輸出阻抗，以及低傳播延遲。

當(dāng)在時(shí)鐘緩沖應(yīng)用中使用運(yùn)算放大器時(shí)，設(shè)計(jì)者必須認(rèn)識到并遵循一些工作限制。以電壓反饋型放大器的增益帶寬積為例，當(dāng)放大器電路的閉環(huán)增益增加時(shí)，它的帶寬會降低，因此較大的增益意味著較小的帶寬。將多個(gè)低增益放大器進(jìn)行級聯(lián)以達(dá)到較高的帶寬，由此確保信號路徑的總體增益和帶寬。

單電源工作對于便攜式電子設(shè)備來說是很重要的。根據(jù)定義，單電源運(yùn)算放大器的輸入共模范圍包括負(fù)軌(地)，大部分甚至比地還低200mV，但這并不表示輸出電壓的擺幅可以到地以下。典型軌對軌放大器的輸出級采用共發(fā)射極配置。因此，輸出電壓和軌電壓的最小差距是Vce(sat)，其范圍可以從數(shù)十毫伏到數(shù)百毫伏，具體取決于輸出負(fù)載。

幸運(yùn)的是，在這些應(yīng)用中，輸出電壓的擺幅通常不需要總是達(dá)到地電壓。但是，當(dāng)輸入太接近地時(shí)(大約100mv～200mv)，輸出級可能會達(dá)到飽和，導(dǎo)致失真以及較長的恢復(fù)時(shí)間。在直流耦合系統(tǒng)中，應(yīng)該確保信號電壓的低點(diǎn)高于200mV，或使用-200mV的負(fù)供電電壓，這兩種方法都可以避免輸出級進(jìn)入飽和狀態(tài)。

放大器對裕量也有要求，也就是其電壓的擺幅與正電源電壓之間能夠有多接近，因此還必須留意輸入共模范圍的高端。如果輸入電壓太高，輸出電壓會失真并被截?cái)唷DA4850和ADA4851需要2.2V的裕量，AD8061需要1.8V的裕量，而ADA4853僅需要1.2V的裕量。

圖1所示的是一個(gè)增益為2的單電源同向運(yùn)算放大器時(shí)鐘緩沖器，圖2所示的是它的瞬態(tài)響應(yīng)。按照配置，AD8061的上限約為33MHz，其2ns的傳輸延遲可與一些專用的時(shí)鐘緩沖器相媲美。

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圖1. 同向運(yùn)算放大器時(shí)鐘緩沖器

圖2. 33MHz頻率下，增益=+2的瞬態(tài)響應(yīng)

在某些應(yīng)用中可以使用交流耦合，它允許使用更高帶寬的放大器以擴(kuò)展頻率性能。通過將輸入和輸出偏壓至電源電壓的中間值，這些放大器可被用于單電源應(yīng)用中。

圖3所示的是使用AD8057高速放大器的設(shè)計(jì)，這款器件具有325MHz帶寬和1150V/μs壓擺率，在此電路設(shè)置為單位增益。應(yīng)當(dāng)注意的是，通過隔直電容C6后，負(fù)載上的電壓與輸入信號Vin上的交流分量相等，且不含直流分量。這個(gè)電路的工作頻率范圍接近100MHz。圖4所示的是時(shí)鐘響應(yīng)，可以看到當(dāng)頻率高達(dá)90MHz時(shí)仍然可以維持較好的脈沖保真度。

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圖3. 交流耦合時(shí)鐘緩沖器(單位增益)

圖4. 交流耦合時(shí)鐘緩沖器瞬態(tài)響應(yīng)

如上所示，當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)鐘緩沖器時(shí)，高速放大器往往能夠以更低的成本提供更多的靈活性，在許多應(yīng)用中都能夠同傳統(tǒng)的時(shí)鐘緩沖器相競爭。針對具體的應(yīng)用，還可以選擇使用單電源放大器或雙電源放大器。