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技術文章 價格低廉的高速放大器可以製作出具有彈性的時脈緩衝器 John Ardizzoni [john.ardizzoni@] 相較於典型的時脈緩衝應用裝置，在具有較低頻率與較少需求的消費性電子應用裝置中，採用價格低廉 的高速運算放大器（～ 100 MHz頻寬）可以提供比傳統的時脈緩衝器更具吸引力的替代方案。高速放 大器比傳統的時脈緩衝器還要便宜，同時又能夠符合在設計上的廣範圍設定。 對於低成本的時脈緩衝器來說，ADA 4850 （-1 / -2 ）、ADA 4851 （-1 / -2 / -4 ）、ADA 4853 （-1 / -2 / -3 ）、以及AD 8061單電源供應運算放大器是絕佳的選擇。這些放大器全部都具有低供應電壓、低供應 電流、針對供電源敏感應用裝置的斷電模式、以及軌對軌輸出等特點，能夠藉以實現廣大的動態範圍。 相對於傳統的時脈緩衝器，運算放大器的一項優點就是具有彈性。運算放大器可以將計時脈衝（ clock pulse ）予以緩衝、放大、偏移、反相、加總、減去、或是過濾。它們具有高輸入阻抗、低輸入偏壓電 流、低供應電流、獨立的斷電模式（針對在單一封裝中的多重放大器）、低輸出阻抗、以及低傳播延 遲。 設計工程師在時脈緩衝應用裝置中使用運算放大器時，對於某些運作上的限制必須要有所認知與遵守。 就以利用電壓回授放大器設定增益頻寬的產品來舉例。當放大器電路的封閉迴路增益提高時，其頻寬就 會縮減。因此較大的增益也就意味著較低的頻寬。串接每組都具有較低增益的多重放大器，將可以使放 大器能夠在較高的頻寬下運作，藉此確保信號路徑的總體增益與頻寬。 對於可攜式電子設備來說，單電源供應的運作是相當重要的。依據定義，單電源供應運算放大器的輸入 共模範圍應該包括有負極軌（negative rail ）（接地）；其中大部分都會低於接地的200 mV 。然而這並 不代表輸出就可以在低於接地以下擺盪。典型軌對軌放大器的輸出階會採用共通的發射極設定。因此， 輸出所能夠到達最接近軌的值為 Vce (sat) ，其範圍可以從數十毫伏特一直到數百毫伏特，依據輸出負載 而定。 幸運的是，在這些應用裝置當中，輸出在到達接地的過程中並不會經常性的需要擺盪。然而當輸入過於 接近接地時（介於 100 mV 至 200 mV ），輸出階就會飽和，進而產生失真以及較長的回復時間。在直 流耦合（dc-coupled ）的系統當中，將信號低點保持在高於200 mV 之上，或者使用- 200 mV的負極供 應電壓。不論是兩者之中的哪一種方法，都可以避免輸出階進入飽和狀態。 放大器也可以用來設定裕度（headroom ），或是它們的擺盪與正極軌可以有多接近，因此也必須要加 以注意，以便配合輸入共模範圍的高邊。假如輸入電壓變得太高時，輸出階將會產生失真與截斷的情 況。 ADA 4850 與 ADA 4851 需要有 2.2 V的裕度， AD 8061 需要 1.8 V ，而ADA 4853則只需要 1.2 V 。 圖 1中所示為單電源供應的非反相運算放大器以增益為 + 2之下的時脈緩衝。圖 2中所示為其暫態響應 （transient response ）。正如同所設定的一樣，AD 8061的上限大約是 33 MHz 。而其所具有的2 ns 傳播延遲則能夠與部份專用的時脈緩衝相匹敵。 圖 1 ．非反相運算放大器時脈緩衝 圖 2 ．在33 MHz下， G = +2的暫態響應 在某些應用裝置中可以使用直流耦合，這將使得較高頻寬的放大器能夠被加以運用，以延伸頻率性能。 這些放大器可以將其輸入與輸出予以偏壓至中供應（ mid-supply ），藉此使其能夠應用在單電源供應的 應用裝置當中。 圖 3所示為採用 AD 8057高速放大器的架構。該元件具有 325 MHZ頻寬以及 1150 V/µs的轉換率等特 點，可以針對單一增益予以設定。注意到負載電阻會回返至等同於輸入信號 dc 平均值的電壓。這可以 確保其輸出將會參考至接地。此設定的較高運作範圍大約是在 100 MHz 。圖4所示為時脈回應。注意到 被維持在高達 90 MHz的良好時脈保真度。 圖 3 ．交流耦合（AC coupled ）時脈緩衝（單一增益） 圖 4 ．交流耦合時脈緩衝暫態響應 如上