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利用低成本高速放大器实现灵活的时钟缓冲器

作者:John Ardizzoni?? 2008年12月02日 ?? 收藏0

  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(~100MHz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。

  对于低成本的时钟缓冲器而言,ADA4850 (-1/-2)、ADA4851 (-1/-2/-4)、ADA4853 (-1/-2/-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200mV,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100mv~200mv),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200mV,或使用-200mV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2.2V的裕量,AD8061需要1.8V的裕量,而ADA4853仅需要1.2V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,图2所示的是它的瞬态响应。按照配置,AD8061的上限约为33MHz,其2ns的传输延迟可与一些专用的时钟缓冲器相媲美。

  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

  33MHz频率下

  图2. 33MHz频率下,增益=+2的瞬态响应

  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3所示的是使用AD8057高速放大器的设计,这款器件具有325MHz带宽和1150V/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100MHz。图4所示的是时钟响应,可以看到当频率高达90MHz时仍然可以维持较好的脉冲保真度。

  交流耦合时钟缓冲器

  图3. 交流耦合时钟缓冲器(单位增益

  交流耦合时钟缓冲器瞬态响应

  图4. 交流耦合时钟缓冲器瞬态响应

  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。


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时钟缓冲器? 运算放大器?

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