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如何利用低成本高速放大器实现灵活的时钟缓冲器?

ADI_Amy 員工 在 2015-12-4 建立的討論區

与典型的时钟缓冲应用相比,消费类电子应用的工作频率较低,需求较少,采用低成本的高速运算放大器(~100 MHz带宽)可以提供比传统的时钟缓冲器更具吸引力的替代方案。高速放大器比传统的时钟缓冲器更便宜,同时也能适应更多种类的设计配置。那么,如何利用低成本高速放大器实现灵活的时钟缓冲器?且看ADI技术专家John Ardizzoni的文章。

 

对于低成本的时钟缓冲器而言,ADA4850 (ADA4850 -1 /ADA4 8 5 0 - 2)、ADA4851(ADA4851-1/ADA4851-2/ADA4851-4)、ADA4853(ADA4853-1/ADA4853-2/ADA4853-3)和AD8061单电源运算放大器都是很好的选择。这些放大器都具有低电源电压、低电源电流、支持功耗敏感应用的省电模式,以及轨对轨输出等特性,可以实现宽动态范围。

 

与传统的时钟缓冲器相比,运算放大器的一个优点是具有灵活性。运算放大器可以将时钟脉冲进行缓冲、放大、失调、反向、相加、相减或滤波。它们提供高输入阻抗、低输入偏置电流、低电源电流、独立的省电模式(针对单个封装中的多个放大器)、低输出阻抗,以及低传播延迟。

 

当在时钟缓冲应用中使用运算放大器时,设计者必须认识到并遵循一些工作限制。以电压反馈型放大器的增益带宽积为例,当放大器电路的闭环增益增加时,它的带宽会降低,因此较大的增益意味着较小的带宽。将多个低增益放大器进行级联以达到较高的带宽,由此确保信号路径的总体增益和带宽。

 

单电源工作对于便携式电子设备来说是很重要的。根据定义,单电源运算放大器的输入共模范围包括负轨(地),大部分甚至比地还低200 mV,但这并不表示输出电压的摆幅可以到地以下。典型轨对轨放大器的输出级采用共发射极配置。因此,输出电压和轨电压的最小差距是Vce (sat),其范围可以从数十毫伏到数百毫伏,具体取决于输出负载。

 

幸运的是,在这些应用中,输出电压的摆幅通常不需要总是达到地电压。但是,当输入太接近地时(大约100 mv~200 mv),输出级可能会达到饱和,导致失真以及较长的恢复时间。在直流耦合系统中,应该确保信号电压的低点高于20 mV,或使用-200 mV的负供电电压,这两种方法都可以避免输出级进入饱和状态。

 

放大器对裕量也有要求,也就是其电压的摆幅与正电源电压之间能够有多接近,因此还必须留意输入共模范围的高端。如果输入电压太高,输出电压会失真并被截断。ADA4850和ADA4851需要2.2 V的裕量,AD8061需要1.8 V的裕量,而ADA4853仅需要1.2 V的裕量。图1所示的是一个增益为2的单电源同向运算放大器时钟缓冲器。按照配置,AD8061的上限约为33 MHz,其2 ns的传输延迟可与一些 专用的时钟缓冲器相媲美。

同向运算放大器时钟缓冲器
图1. 同向运算放大器时钟缓冲器

 

在某些应用中可以使用交流耦合,它允许使用更高带宽的放大器以扩展频率性能。通过将输入和输出偏压至电源电压的中间值,这些放大器可被用于单电源应用中。图2所示的是使用AD8057高速放大器的设计,这款器件具有325 MHz带宽和1150 V/µs压摆率,在此电路设置为单位增益。应当注意的是,通过隔直电容C6后,负载上的电压与输入信号VIN上的交流分量相等,且不含直流分量。这个电路的工作频率范围接近100 MHz。

交流耦合时钟缓冲器(单位增益)
图2、交流耦合时钟缓冲器(单位增益)

 

如上所示,当设计时钟缓冲器时,高速放大器往往能够以更低的成本提供更多的灵活性,在许多应用中都能够同传统的时钟缓冲器相竞争。针对具体的应用,还可以选择使用单电源放大器或双电源放大器。

結果