利用低成本高速放大器实现灵活的时钟缓冲器

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。

 

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图1. 同向运算放大器时钟缓冲器

 

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。

 

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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。