運算放大器的串聯：如何在同時實現更高輸出功率的精度

工程師經常面臨開發(fā)應用程序以滿足各種要求的挑戰(zhàn)。通常，這些要求很難同時滿足。一個例子是找到一種非?？焖俚?a target="_blank">高壓運算放大器（op amp），它具有高輸出功率，并且在直流精度、噪聲和失真方面具有同樣出色的特性。兼具所有這些特性的運算放大器在市場上很少見。但是，可以從兩個單獨的放大器中自己構建這樣的放大器，從而創(chuàng)建一個復合放大器。當組合兩個運算放大器時，可以結合每個運算放大器的正特性。這樣，在相同增益下，與單個放大器相比，可以實現更高的帶寬。

復合放大器

復合放大器由兩個單獨的放大器組成，通常具有不同的特性。這種安排如圖1所示。放大器1代表低噪聲精密放大器ADA4091-2。放大器2（在本例中為AD8397）具有高輸出功率，用于驅動其他模塊。

圖1.兩個運算放大器串聯起來形成復合放大器的示意圖。

圖1所示復合放大器的配置類似于同相放大器的配置，其中兩個電阻R1和R2在外部起作用。串聯的兩個運算放大器應被視為單個放大器?？傇鲆?（G） 通過電阻比 G = 1 + R1/R2 設置。R3與R4之比的變化（實際上，放大器2（G2）的增益）也會影響放大器1（G1）的增益或輸出電平。有效總增益不會因R3和R4而改變。如果 G2 降低，G1 增加。

帶寬擴展

復合放大器的另一個特點是帶寬更高。這種組合的帶寬高于每個單獨的放大器。因此，如果使用兩個相同的放大器，增益帶寬積（GBWP）為100 MHz，增益G = 1，則可以實現大約27%的–3 dB帶寬。隨著增益的增加，這種效果變得更加明顯，但僅限于一定的限制。一旦超過限制，可能會出現不穩(wěn)定。這也適用于兩種收益分配不均的情況。通常，最大帶寬是在兩個放大器上平均分配增益時產生的。使用上述值（GBWP = 100 MHz，G2 = 3.16，G = 10），增益為10時，可以實現–3 dB帶寬，其帶寬約為單個放大器的300%。

解釋相對簡單。在均勻分布增益的情況下，G2也導致放大器1的有效增益相同。但是，每個放大器的開環(huán)增益要高得多。增益降低后（例如，從40 dB降至20 dB），兩個放大器現在都作用在開環(huán)曲線的較低區(qū)域（見圖2）。這樣，在相同增益下，復合放大器產生的帶寬高于單個放大器。

圖2.通過復合放大器擴展帶寬。

直流精度和噪聲

在典型的運算放大器電路中，部分輸出被反饋到反相輸入。通過這種方式，可以通過反饋路徑校正輸出誤差，以提高精度。圖1所示的組合也為放大器2提供了單獨的反饋路徑，盡管它位于放大器1的反饋路徑中。由于放大器2，整體布置的輸出包含較大的誤差，但當它們反饋到放大器1時，這些誤差將被校正。因此，放大器1的精度得以保留。輸出失調僅與第一個放大器的誤差成比例，與第二個放大器的失調無關。

這同樣適用于噪聲分量。它還通過反饋進行校正，其中交流信號也取決于兩個放大器級的帶寬儲備。只要第一放大器級具有足夠的帶寬，它就可以校正放大器2的噪聲成分。到目前為止，其輸出電壓噪聲密度占主導地位。但是，如果超過放大器1的帶寬，則第二個放大器的噪聲分量開始占主導地位。如果放大器1的帶寬過高或遠高于放大器2的帶寬，就會出現問題。這可能導致額外的噪聲峰值，可以在復合放大器的輸出端看到。

結論

通過兩個串聯的放大器的組合，可以結合兩者的最佳特性，同時實現單個運算放大器無法實現的結果。例如，可以實現具有高輸出功率和更高帶寬的高精度放大器。圖1所示電路示例包括軌到軌放大器AD8397（–3 dB帶寬= 69 MHz）和精密放大器ADA4091-2（–3 dB帶寬= 1.2 MHz），兩者組合的帶寬是各自帶寬（G = 10時）的兩倍多。此外，通過結合AD8397和各種精密放大器，可以實現降噪和THD改善。但是，在設計中，還必須通過正確的放大器配置來確保系統穩(wěn)定性。如果考慮所有標準，復合放大器為涵蓋非常廣泛和苛刻的應用范圍提供了多種可能性。

審核編輯：郭婷