ZHCABP8 February 2022 BUF802
寬帶寬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（例如示波器和有源探頭）使用模擬前端 (AFE) 信號鏈來捕獲高頻信號和快速瞬變脈沖。寬帶 DAQ AFE 的關(guān)鍵特性包括：
縱觀當今的行業(yè)，可以找到各種各樣支持大于 1GHz 帶寬的放大器和緩沖器，然而，這些帶寬指的是小信號帶寬 (< 100mVPP)，此類帶寬不適合在 AFE 中使用，設(shè)計用于幅度較大的信號 (> 1VPP)。
BUF802 器件是一款具有 JFET 輸入級的開環(huán)、單位增益緩沖器，能夠為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAQ) 前端提供低噪聲、高阻抗緩沖。BUF802 支持 1VPP 信號的直流至 3.1GHz 帶寬，同時在整個頻率范圍內(nèi)提供出色的失真和噪聲性能。對于需要寬帶寬和高精度的應(yīng)用，BUF802 可用于具有精密放大器的復(fù)合環(huán)路中，如圖 1-1 中所示。
本文介紹了如何調(diào)整 S 參數(shù)，以實現(xiàn)前端設(shè)計的平坦頻率響應(yīng)和阻抗匹配。
復(fù)合環(huán)路將兩個不同且通?；パa的子電路交織在一起，以創(chuàng)建單個無縫電路塊，其最終性能是每個子電路優(yōu)點的組合。圖 1-2 中的復(fù)合環(huán)路將輸入信號分成低頻和高頻分量，通過兩個不同的電路（傳遞函數(shù)）將每個信號分量帶到輸出端，并將它們重新組合以再現(xiàn)凈輸出信號。低頻路徑為凈傳遞函數(shù)提供了良好的直流精度，BUF802（高頻路徑）允許凈傳遞函數(shù)實現(xiàn)寬帶寬。圖 1-2 中電路的挑戰(zhàn)之一是平滑地交錯兩條路徑，以實現(xiàn)寬帶寬和良好的直流精度。兩條路徑的傳遞函數(shù)中的任何不匹配都將導(dǎo)致凈傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)中斷，從而導(dǎo)致信號保真度損失。BUF802 使用創(chuàng)新的架構(gòu)來簡化前面討論的交錯兩個信號路徑的設(shè)計挑戰(zhàn)。
散射參數(shù)或 S 參數(shù)提供了一個基于輸入傳輸信號和反射信號的比率來描述網(wǎng)絡(luò)的框架，如圖 1-3 中所示。S11 表示從端口 1 反射的功率比（b1/a1，而 a2=0）。S21 表示從端口 1 傳輸?shù)蕉丝?2 的功率比（b2/a1，而 a2=0）。對于諸如緩沖器之類的單向設(shè)備（端口 1 作為輸入，端口 2 作為輸出），S11 是描述輸入阻抗匹配水平的輸入端口電壓反射系數(shù)，而 S21 是正向電壓增益，描述頻率響應(yīng)。
S 參數(shù)通常表示為頻率的函數(shù)。有關(guān) S 參數(shù)的詳細分析，請訪問博客那么，S 參數(shù)到底是什么？
要在整個頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)所需的 S21，需要滿足以下條件：
降低峰值并實現(xiàn)寬帶寬
圖 1-4 顯示了具有由 PCB 和 DUT (BUF802) 引起的輸入寄生效應(yīng)的復(fù)合環(huán)路。PCB 布線的寄生電感 (LS) 可以與 BUF802 的輸入電容 (CIN) 相互作用，以創(chuàng)建諧振 LC 電路，從而產(chǎn)生峰值頻率響應(yīng)，如圖 1-5 中所示。為了減少 LS，應(yīng)盡量減小從輸入端口到 BUF802 輸入的布線長度。圖 1-5 證明了較長布線對 S21 的影響。
由于 LS 和 CIN 之間的諧振導(dǎo)致的峰值可以通過插入串聯(lián)阻尼電阻 RS 來抑制，如圖 1-4 中所示。除了有助于抑制 S21 峰值外，RS 還有助于改善 S11。S11 改進背后的確切數(shù)學運算在調(diào)整 S11 參數(shù)中進行了討論。
串聯(lián)輸入電容器 CHF 形成一個分壓器，其中 CIN 減少了高頻路徑的增益。因此，重要的是使 CHF >> CIN 確保分壓器不會衰減輸入的 AC 信號。
對于 1VPP 信號，BUF802 可以實現(xiàn) 3.1GHz 的 -3dB 帶寬。增加 RS 以減少 S21 峰值也減少了帶寬，因為增加了由 RS 和 CIN 引起的 RC 極。在圖 1-6 中可以看到此效果。
表 1-1 對前面幾點進行了總結(jié)。
| 增加 RS | 減小 RS |
|---|---|
| 保護 BUF802 免受瞬態(tài)影響 | 增加帶寬 |
| 減少 S21 的峰值 | 在較低頻率下提高 S11 |
| 在較高頻率下提高 S11 | 降低輸出噪聲 |
實現(xiàn)低頻和高頻區(qū)域之間的平滑過渡
BUF802 可用作獨立緩沖器、緩沖器模式（BF 模式）或帶有精密放大器的復(fù)合回路。復(fù)合環(huán)路模式（CL 模式），有助于實現(xiàn) DC 精度和寬大的信號帶寬。使用精密放大器在 CL 模式下運行 BUF802 需要匹配兩個不同子電路的 S21 響應(yīng)（增益），以保持低頻和高頻響應(yīng)之間的平穩(wěn)過渡。通過遵守以下兩個條件可以實現(xiàn)平穩(wěn)過渡：
對于第一種情況，低頻區(qū)域僅由精密電路決定。輸入信號的幅度按比率 α 分頻，并通過精密放大器進一步放大 1/β。因此，在低頻區(qū)域：
增益 (G) 可在 BUF802 數(shù)據(jù)表中找到，通常為 0.96V/V。
為了在整個頻率范圍內(nèi)保持恒定的 S21，可以通過調(diào)整 RPOT 的值使 G = α/β。
BUF802 (fHF) 路徑的高頻極點由 CHF 和 RHF 創(chuàng)建，如Equation3 中所示。精密放大器路徑的低頻極點 (fLF) 是精密放大器的增益帶寬積 (GBW)、輔助路徑增益 (GAUX) 和 BUF802 的寄生輸入電容的函數(shù)，如Equation4 中所示。
復(fù)合環(huán)路過渡區(qū)域的設(shè)計應(yīng)使高頻極點 (fHF) 下降的頻率遠低于低頻極點 (fLF)。這樣可以確保交叉頻率區(qū)域中有足夠的重疊，并將復(fù)雜的傳遞函數(shù)簡化為簡單的極點和零點。
除了前面提到的兩個條件外，還需要調(diào)整 CF（補償電容器），以確保對精密放大器進行充分補償。CF 值由Equation5 中的公式計算得出。
其中 CINPA 是精密放大器的共模輸入電容。
圖 1-8 顯示了調(diào)整 CF 對其三個不同值的影響。
請參閱 BUF802 數(shù)據(jù)表中的第 9.2.1.2 節(jié)，以了解使用上述等式的 1-GHz AFE 的設(shè)計過程。
阻抗匹配對于減少反射和保持信號完整性至關(guān)重要。在感興趣的頻率上優(yōu)于 -15dB 的 S11 被認為是可接受的目標規(guī)格。雖然 50Ω 端接有助于實現(xiàn)所需的 S11，但重要的是要有一個高輸入阻抗選項來測量信號，而無需加載前一個驅(qū)動級。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以具有可選的 50Ω 輸入和 1MΩ 輸入端接選項。BUF802 的 JFET 輸入級提供 GΩ 的輸入阻抗，因此可以使用外部 1MΩ 電阻端接而不影響性能。如果需要 50Ω 終端，可以通過繼電器接通，如圖 1-9 中所示。因此，BUF802 可以靈活地在 1MΩ 和 50Ω 端接系統(tǒng)中使用。
雖然可以安裝精確的 50? 端接以在前端復(fù)合環(huán)路的輸入端實現(xiàn)電阻，但 BUF802 的寄生電容 (CIN) 似乎與此 50Ω 電阻一起導(dǎo)致跨頻率的非理想端接。
BUF802 的寄生輸入電容 (CIN) 為 2.4pF。BUF802 在特定頻率 (XCF) 下的輸入阻抗可以使用以下公式計算：
因此，信號看到的凈輸入阻抗將為：
例如，在 f = 1GHz 時，XCF 等于 66.3Ω。因此，信號看到的凈輸入阻抗為 66.3Ω || 50Ω = 28.5Ω。
添加 RS（以減少 S21 峰值），以及添加串聯(lián)端接電感器 (LN)（請參閱圖 1-10）會產(chǎn)生凈輸入阻抗，如Equation8 中所示。
其中 XL = 2π * f * LN
f = 1GHz，RS = 30Ω，LN = 6.8nH，CIN = 2.4pF，并使用Equation8。
雖然可以增加 RS 以使輸入阻抗精確到 50Ω，但我們受到最大 RS 值的限制，如表 1-1 中所討論的那樣。圖 1-11 顯示了 S11 與不同 RS 值的頻率的關(guān)系。