復(fù)合放大器的高精度的高輸出驅(qū)動(dòng)能力

介紹

面對(duì)似乎不存在解決方案的應(yīng)用程序是正常的，并且?guī)缀蹩梢灶A(yù)料。為了滿足他們的要求，我們需要考慮一種超越市場提供的當(dāng)前產(chǎn)品性能的解決方案。例如，應(yīng)用可能需要具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的高速、高電壓放大器，但也可能需要出色的直流精度、低噪聲、低失真等。

滿足速度和輸出電壓/電流要求的放大器以及具有出色直流精度的放大器在市場上很容易買到——事實(shí)上，其中有很多。但是，所有要求可能并不存在于單個(gè)放大器中。面對(duì)這個(gè)問題，有些人會(huì)認(rèn)為我們無法滿足此類應(yīng)用的需求，我們必須滿足于平庸的解決方案，要么選擇精密放大器，要么選擇高速放大器，也許會(huì)犧牲一些要求。

幸運(yùn)的是，這并不完全正確。有一個(gè)復(fù)合放大器形式的解決方案，本文將展示它是如何實(shí)現(xiàn)的。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器是由兩個(gè)單獨(dú)的放大器組成的裝置，其配置方式可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)放大器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少每個(gè)放大器的缺點(diǎn)。

圖 1. 簡單的復(fù)合放大器配置。

參考圖 1，AMP1 應(yīng)具有出色的直流精度以及應(yīng)用所需的噪聲和失真性能。AMP2 應(yīng)提供輸出驅(qū)動(dòng)要求。在這種布置中，具有所需輸出規(guī)格的放大器 （AMP2） 放置在具有所需輸入規(guī)格的放大器 （AMP1） 的反饋環(huán)路內(nèi)。將討論這種安排的一些技術(shù)和好處。

設(shè)置增益

最初遇到復(fù)合放大器時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)的第一個(gè)問題是如何設(shè)置增益。為了解決這個(gè)問題，將復(fù)合放大器視為包含在大三角形內(nèi)的單個(gè)同相運(yùn)算放大器是有幫助的，如圖 2 所示。如果我們想象三角形被涂黑以至于我們看不到里面的東西，那么增益同相運(yùn)算放大器的 1 + R1/R2。揭示三角形內(nèi)部的復(fù)合配置并沒有改變?nèi)魏螙|西——整個(gè)事物的增益仍然由 R1 和 R2 的比率控制。

在這種配置中，很容易認(rèn)為通過 R3 和 R4 改變 AMP2 的增益會(huì)影響 AMP2 的輸出電平，表明復(fù)合增益發(fā)生了變化，但事實(shí)并非如此。通過 R3 和 R4 增加 AMP2 周圍的增益只會(huì)降低 AMP1 的有效增益和輸出電平，從而使復(fù)合輸出（AMP2 輸出）保持不變?；蛘?，降低 AMP2 周圍的增益將有助于增加 AMP1 的有效增益。因此，一般來說，復(fù)合放大器的增益僅取決于 R1 和 R2。

圖 2. 被視為單個(gè)放大器的復(fù)合放大器。

本文將討論實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器配置時(shí)的主要優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。將重點(diǎn)介紹對(duì)帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴(kuò)展

與配置有相同增益的單個(gè)放大器相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器的主要好處之一是帶寬擴(kuò)展。

參考圖 3 和圖 4，假設(shè)我們有兩個(gè)獨(dú)立的放大器，每個(gè)放大器的增益帶寬積 （GBWP） 為 100 MHz。將它們放在一個(gè)復(fù)合配置中將增加組合的有效 GBWP。在單位增益下，復(fù)合放大器提供了約 27% 的 –3 dB 帶寬，盡管有少量的峰值。然而，在更高的增益下，這種好處變得更加明顯。

圖 3. 單位增益的復(fù)合放大器。

圖 4. 單位增益下 –3 dB BW 改進(jìn)。

圖 5 顯示了增益為 10 的復(fù)合放大器。請(qǐng)注意，復(fù)合增益通過 R1 和 R2 設(shè)置為 10。AMP2 周圍的增益設(shè)置為大約 3.16，迫使 AMP1 的有效增益相同。在兩個(gè)放大器之間平均分配增益會(huì)產(chǎn)生最大可能的帶寬。

圖 5. 配置為增益 = 10 的復(fù)合放大器。

圖 6 顯示了增益為 10 的單個(gè)放大器與配置相同增益的復(fù)合放大器相比的頻率響應(yīng)。在這種情況下，復(fù)合材料的 –3 dB 帶寬增加了約 300%。這怎么可能？

圖 6. 增益 = 10 時(shí) –3 dB BW 改進(jìn)。

具體示例請(qǐng)參見圖 7 和圖 8。我們需要 40 dB 的系統(tǒng)增益并將使用兩個(gè)相同的放大器，每個(gè)放大器的開環(huán)增益為 80 dB，GBWP 為 100 MHz。

圖 7. 最大帶寬的增益分配。

圖 8. 單個(gè)放大器的預(yù)期響應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)組合的最高帶寬，我們將在兩個(gè)放大器之間平均分配所需的系統(tǒng)增益，使每個(gè)放大器的增益為 20 dB。因此，將 AMP2 的閉環(huán)增益設(shè)置為 20 dB 會(huì)強(qiáng)制將 AMP1 的有效閉環(huán)增益也設(shè)置為 20 dB。使用這種增益配置，兩個(gè)放大器在開環(huán)曲線上的運(yùn)行都低于它們中的任何一個(gè)在 40 dB 增益下的運(yùn)行。因此，與具有相同增益的單放大器解決方案相比，復(fù)合材料在 40 dB 的增益下將具有更高的帶寬。

盡管這聽起來相對(duì)簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但在設(shè)計(jì)復(fù)合放大器時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，使其具有盡可能高的帶寬，同時(shí)不犧牲組合的穩(wěn)定性。在放大器不理想且可能不相同的實(shí)際應(yīng)用中，必須確保適當(dāng)?shù)脑鲆娌贾靡员３址€(wěn)定性。此外，請(qǐng)注意，復(fù)合增益將以 –40 dB/十倍頻滾降，因此在兩級(jí)之間分配增益時(shí)必須小心。

在某些情況下，可能無法平均分配增益。在這一點(diǎn)上，兩個(gè)放大器之間增益的平均分配要求 AMP2 的 GBWP 必須始終大于或等于 AMP1 的 GBWP，否則會(huì)導(dǎo)致峰值（甚至可能不穩(wěn)定）。在 AMP1 GBWP 必須大于 AMP2 GBWP 的情況下，通?？梢酝ㄟ^重新分配兩個(gè)放大器之間的增益來糾正不穩(wěn)定性。在這種情況下，降低 AMP2 的增益會(huì)導(dǎo)致 AMP1 的有效增益增加。結(jié)果是 AMP1 閉環(huán)帶寬隨著其在開環(huán)曲線上運(yùn)行得較高而降低，而 AMP2 閉環(huán)帶寬隨著其在開環(huán)曲線上運(yùn)行得較低而增加。如果充分應(yīng)用這種 AMP1 的減速和 AMP2 的加速，復(fù)合組合的穩(wěn)定性就會(huì)恢復(fù)。

在本文中，選擇 AD8397 作為輸出級(jí) （AMP2），與 AMP1 的各種精密放大器接口，以展示復(fù)合放大器的優(yōu)勢(shì)。AD8397 是一款能夠提供 310 mA 電流的高輸出電流放大器。

保持直流精度

圖 9. 運(yùn)算放大器反饋回路。

在典型的運(yùn)算放大器電路中，一部分輸出被反饋到反相輸入。輸出中出現(xiàn)的誤差（在循環(huán)中生成）乘以反饋因子 （β） 并減去。這有助于保持輸出相對(duì)于輸入乘以閉環(huán)增益 （A） 的保真度。

圖 10. 復(fù)合放大器反饋回路。

對(duì)于復(fù)合放大器，放大器 A2 有自己的反饋回路，但 A2 及其反饋回路都在 A1 較大的反饋回路內(nèi)。輸出現(xiàn)在包含由于 A2 導(dǎo)致的較大誤差，這些誤差被反饋到 A1 并被糾正。較大的校正信號(hào)導(dǎo)致 A1 的精度得以保留。

在電路中可以清楚地看到這種復(fù)合反饋環(huán)路的效果，結(jié)果如圖 11 和圖 12 所示。圖 11 顯示了由兩個(gè)理想運(yùn)算放大器組成的復(fù)合放大器。復(fù)合增益為 100，AMP2 增益設(shè)置為 5。V OS 1 表示 AMP1 的 50 μV 偏移電壓，而 V OS 2 表示 AMP2 的可變偏移電壓。圖 12 顯示，當(dāng) V OS 2 從 0 mV 掃描到 100 mV 時(shí)，輸出偏移不受 AMP2 貢獻(xiàn)的誤差（偏移）幅度的影響。相反，輸出偏移僅與 AMP1 的誤差（50 μV 乘以 100 的復(fù)合增益）成比例，并且無論 V OS的值如何都保持在 5 mV2. 如果沒有復(fù)合環(huán)路，我們預(yù)計(jì)輸出誤差會(huì)增加高達(dá) 500 mV。

圖 11. 偏移誤差貢獻(xiàn)。

圖 12. 復(fù)合輸出偏移與 V OS 2。

噪聲和失真

復(fù)合放大器的輸出噪聲和諧波失真以與直流誤差類似的方式進(jìn)行校正，但在交流參數(shù)的情況下，兩級(jí)的帶寬也起作用。我們將看一個(gè)使用輸出噪聲的示例來說明這一點(diǎn)，并理解失真消除以幾乎相同的方式發(fā)生。

參考圖 13 中的示例電路，只要第一級(jí) （AMP1） 有足夠的帶寬，它將校正第二級(jí) （AMP2） 的較大噪聲。隨著 AMP1 開始耗盡帶寬，來自 AMP2 的噪聲將開始占主導(dǎo)地位。但是，如果 AMP1 的帶寬過大，并且頻率響應(yīng)中存在峰值，則會(huì)在相同頻率處感應(yīng)出噪聲峰值。

圖 13. 復(fù)合放大器的噪聲源。

圖 14. 噪聲性能與階段 1 帶寬。

對(duì)于此示例，圖 13 中的電阻器 R5 和 R6 分別代表 AMP1 和 AMP2 的固有噪聲源。圖 14 的上圖顯示了各種 AMP1 帶寬以及 AMP2 在單個(gè)固定帶寬下的頻率響應(yīng)?；叵胍幌玛P(guān)于增益分離的部分，100 （40 dB） 的復(fù)合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益將強(qiáng)制 AMP1 的有效增益為 20 （26 dB），如此處所示。

下圖顯示了每種情況下的寬帶輸出噪聲密度。在低頻下，輸出噪聲密度主要由 AMP1 決定（1 nV/√Hz 乘以 100 的復(fù)合增益等于 100 nV/√Hz）。只要 AMP1 有足夠的帶寬來補(bǔ)償 AMP2，這種情況就會(huì)持續(xù)下去。

對(duì)于 AMP1 的帶寬小于 AMP2 的情況，噪聲密度將開始由 AMP2 主導(dǎo)，因?yàn)?AMP1 的帶寬開始下降。當(dāng)噪聲攀升至 200 nV/√Hz（40 nV/√Hz 乘以 AMP2 增益 5）時(shí)，可以在圖 14 的兩條跡線中看到這一點(diǎn)。最后，在 AMP1 的帶寬比 AMP2 大得多的情況下，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，復(fù)合放大器將在相同頻率處出現(xiàn)噪聲峰值，如圖 14 所示。由于頻率響應(yīng)峰值導(dǎo)致過增益，噪聲峰值的幅度也會(huì)更高。

表 3 和表 4 顯示了使用各種精密放大器作為 AD8397 復(fù)合放大器的第一級(jí)時(shí)的有效降噪和 THD+n 改進(jìn)。

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系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用

圖 15. DAC 輸出驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路。

在本例中，DAC 輸出緩沖器應(yīng)用的目標(biāo)是向低阻抗探頭提供 10 V pp 的輸出，電流為 500 mA pp，噪聲和失真低，直流精度出色，帶寬高達(dá)可能的。4 mA 至 20 mA 電流輸出 DAC 的輸出將由 TIA 轉(zhuǎn)換為電壓，然后到復(fù)合放大器的輸入以進(jìn)行更多放大。使用輸出端的 AD8397，可以達(dá)到輸出要求。AD8397 是一款軌到軌、高輸出電流放大器，能夠提供所需的輸出電流。

AMP1 可以是任何具有配置要求所需的直流精度的精密放大器。在此應(yīng)用中，各種前端精密放大器可與 AD8397（和其他高輸出電流放大器）一起使用，以同時(shí)滿足應(yīng)用所需的出色直流要求和高輸出能力驅(qū)動(dòng)。

圖 16. AD8599 和 AD8397 復(fù)合放大器的 V OUT和 I OUT。

這種配置不僅限于 AD8397 和 AD8599，還可以與放大器的其他組合一起滿足這種需要出色直流精度的輸出驅(qū)動(dòng)規(guī)范。表 6 和表 7 中的放大器也適用于該應(yīng)用。

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結(jié)論

使用復(fù)合放大器，兩個(gè)放大器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了各自提供的最佳規(guī)格，同時(shí)彌補(bǔ)了它們的局限性。具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的放大器與精密前端放大器相結(jié)合，可為具有挑戰(zhàn)性要求的應(yīng)用提供解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)，始終考慮穩(wěn)定性、噪聲峰值、帶寬和壓擺率以獲得最佳性能。有很多可能的選擇可以滿足廣泛的應(yīng)用需求。通過正確的實(shí)施和組合，可以高度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的正確平衡。

關(guān)于作者

Jino Loquinario 于 2014 年加入ADI，擔(dān)任線性產(chǎn)品和解決方案集團(tuán)的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于菲律賓維薩亞斯科技大學(xué)，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：郭婷