廉价的高速放大器提供灵活的时钟缓冲器

作者：John Ardizzoni

在消费电子应用中，与典型的时钟缓冲应用相比，其频率往往较低，要求也更低，廉价的高速运算放大器（~100 MHz带宽）可以为传统时钟缓冲器提供有吸引力的替代方案。高速放大器可能比传统时钟缓冲器便宜，但它们可以适应各种设计配置。

ADA4850 （-1/-2）、ADA4851 （-1/-2/-4）、ADA4853 （-1/-2/-3） 和 AD8061 单电源运算放大器是低成本时钟缓冲器的绝佳选择。这些放大器均具有低电源电压、低电源电流、适用于功耗敏感型应用的省电模式以及可实现宽动态范围的轨到轨输出。

与传统时钟缓冲器相比，运算放大器的一个优势是灵活性。运算放大器允许对时钟脉冲进行缓冲、放大、偏移、反相、求和、减去或滤波。它们提供高输入阻抗、低输入偏置电流、低电源电流、独立的关断（适用于单个封装中的多个放大器）、低输出阻抗和低传播延迟。

设计人员在时钟缓冲器应用中使用运算放大器时，必须认识到并遵守一些工作约束。例如，电压反馈放大器指定增益带宽积。随着放大器电路的闭环增益增加，其带宽减小。因此，较大的增益意味着更少的带宽。级联多个放大器，每个放大器的增益较低，允许放大器在更高的带宽下工作，从而保留信号路径的整体增益和带宽。

单电源供电对于便携式电子产品非常重要。根据定义，单电源运算放大器的输入共模范围包括负电源轨（地）;大多数可以低于地电位200 mV。然而，这并不意味着输出可以摆动到地电位以下。典型双极性轨到轨放大器的输出级采用共发射极配置。因此，输出最接近电源轨的是Vce（sat），其范围从几十毫伏到几百毫伏，具体取决于输出负载。

幸运的是，在这些应用中，输出通常不必一直摆动到地。然而，当输入过于接近地电位（约100 mV – 200 mV）时，输出级可能会饱和，从而导致失真和较长的恢复时间。在直流耦合系统中，将信号的“低电平”保持在200 mV以上，或使用–200 mV负电源电压。这两种方法都将防止输出级进入饱和状态。

放大器还规定了裕量，或者它们与正供电轨的摆幅有多近，因此还必须注意解决输入共模范围的高端问题。如果输入电压过高，输入级将失真并切断。ADA4850和ADA4851需要2.2 V裕量，AD8061需要1.8 V，ADA4853只需要1.2 V。

图1所示为增益为+2的单电源同相运算放大器时钟缓冲器。图2显示了其瞬态响应。根据配置，AD8061的上限约为33 MHz。其2 ns传播延迟可与一些专用时钟缓冲器相媲美。

图2.G = +2 33 MHz 时的瞬态响应

在某些应用中，可以使用交流耦合，从而允许使用更高带宽的放大器来实现扩展频率性能。这些放大器可用于单电源应用，方法是将放大器输入和输出偏置至中间电源。

图3所示为使用高速放大器AD8057的原理图。该器件具有 325MHz 带宽和 1150 V/μs 压摆率，可针对单位增益进行配置。请注意，负载电阻返回到输入信号的直流平均值电压。这可确保输出将参考回地。此配置的上限工作范围约为 100 MHz。 图 4 显示了时钟响应。请注意，良好的脉冲保真度保持在 90 MHz。

图3.交流耦合时钟缓冲器（单位增益）


图4.交流耦合时钟缓冲器瞬态响应

如图所示，当设计需要时钟缓冲器时，高速放大器通常能够以更低的成本提供更大的灵活性，使高速放大器能够在许多应用中与传统时钟缓冲器竞争。可以使用单电源或双电源放大器，具体取决于具体应用。