運(yùn)算放大器的串聯(lián)：如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高輸出功率

作者： Thomas Brand，ADI 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

工程師常常面對(duì)各種挑戰(zhàn)，需要不斷開(kāi)發(fā)新應(yīng)用，以滿足廣泛的需求。一般來(lái)說(shuō)，這些需求很難同時(shí)滿足。例如一款高速、高壓運(yùn)算放大器（運(yùn)放），同時(shí)還具有高輸出功率，以及同樣 出色的直流精度、噪聲和失真性能。市面上很少能見(jiàn)到兼具所有這些特性的運(yùn)算放大器。但是，您可以使用兩個(gè)單獨(dú)的放大器來(lái)構(gòu)建這種放大器，形成復(fù)合放大器。將兩個(gè)運(yùn)算放大器組合在一起，就能將各自的優(yōu)勢(shì)特性集成于一體。這樣，與具有相同增益的單個(gè)放大器相比，兩個(gè)運(yùn)算放大器組合可以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器由兩個(gè)單獨(dú)放大器組合而成，分別具有不同的特性。 圖1所示就是這種結(jié)構(gòu)。放大器1為低噪聲精密放大器ADA4091-2。 在本例中，放大器2為AD8397，具有高輸出功率，可用于驅(qū)動(dòng)其他模塊。

圖1. 兩個(gè)運(yùn)算放大器串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合放大器的示意圖

圖1所示的復(fù)合放大器的配置與同相放大器的配置類似，后者具有兩個(gè)外部操作電阻R1和R2。將兩個(gè)串聯(lián)在一起的運(yùn)算放大器看作一個(gè)放大器?？傇鲆妫℅）通過(guò)電阻比設(shè)置，G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發(fā)生變化，會(huì)影響放大器2 （G2）的增益，也會(huì)影響放大器1 （G1）的增益或輸出電平。但是，R3和R4不會(huì)改變有效總增益。如果G2降低，G1將增加。

帶寬擴(kuò)展

復(fù)合放大器的另一個(gè)特性是具備更高帶寬。相比單個(gè)放大器，復(fù)合放大器的帶寬更高。所以，如果使用兩個(gè)完全相同的放大器，其增益帶寬積（GBWP）為100 MHz，增益G = 1，那么–3 dB帶寬可以提高約27%。增益越高，效果越明顯，但最高只能達(dá)到特定限值。一旦超過(guò)限值，可能會(huì)不穩(wěn)定。兩個(gè)增益分布不均時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來(lái)說(shuō)，在兩個(gè)放大器的增益均等分布的情況下，可獲得最大帶寬。采用上述值（GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10），在總增益為10時(shí)，兩個(gè)放大器組合的–3 dB帶寬可以達(dá)到單個(gè)放大器的3倍。

這種說(shuō)明相對(duì)簡(jiǎn)單。增益均勻分布時(shí)，G2也會(huì)獲得與放大器1相同的有效增益。但是，每個(gè)獨(dú)立放大器的開(kāi)環(huán)增益更高。增益較低時(shí)，例如，從40 dB降至20db時(shí)，兩個(gè)放大器都會(huì)在開(kāi)環(huán)曲 線的低區(qū)域內(nèi)運(yùn)行（參見(jiàn)圖2）。如此，與具有同樣增益的單個(gè)放大器相比，復(fù)合放大器可獲得更高帶寬。

圖2. 通過(guò)復(fù)合放大器擴(kuò)展帶寬

直流精度和噪聲

在典型運(yùn)算放大器電路中，部分輸出會(huì)饋送到反相輸入。如此，可以通過(guò)反饋路徑來(lái)修正輸出誤差，以提高精度。圖1所示的組合也為放大器2提供了單獨(dú)的反饋路徑，雖然它也在放大器1 的反饋路徑中。整體配置輸出會(huì)因放大器2產(chǎn)生更大誤差，但在反饋給放大器1時(shí)，會(huì)修正這種誤差。因此，可以保持放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第一個(gè)放大器的輸入失調(diào)誤差成正比，與第二個(gè)放大器的失調(diào)電壓無(wú)關(guān)。

噪聲分量也一樣。它也通過(guò)反饋得到修正，其中交流信號(hào)與兩個(gè)放大器級(jí)的帶寬預(yù)留相關(guān)。只要第一個(gè)放大器級(jí)具備足夠帶寬，它就會(huì)修正放大器2的噪聲分量。至此，其輸出電壓噪聲密 度占主導(dǎo)地位。但是，如果超過(guò)了放大器1的帶寬，那么第二個(gè)放大器的噪聲分量開(kāi)始占主導(dǎo)。如果放大器1的帶寬過(guò)高，或者遠(yuǎn)高于放大器2的帶寬，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。這可能導(dǎo)致復(fù)合放大器的輸出中出現(xiàn)額外的噪聲峰值。

結(jié)論

通過(guò)將兩個(gè)放大器串聯(lián)在一起，可以將兩者的出色特性相結(jié)合，從而獲得使用單個(gè)運(yùn)算放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。例如，可以實(shí)現(xiàn)具有高輸出功率和高帶寬的高精度放大器。圖1所示的示例電路使用了軌到軌放大器AD8397（–3 dB帶寬 = 69 MHz）和精密放大器ADA4091-2（–3 dB帶寬 = 1.2 MHz），將兩者組合得到的帶寬比單個(gè)放大器（放大器1）的帶寬要高2倍以上（G = 10）。此外，將AD8397和各種精密放大器組合，還可以降低噪聲，并改善THD特性。但是，在設(shè)計(jì)中，還必須通過(guò)修正放大器配置來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果考慮所有標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合放大器也可能適用于各種要求嚴(yán)苛的廣泛應(yīng)用。

作者

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目。之后在2017年2月，他開(kāi)始擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師職位，主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外，他還專注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)主題提供支持。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。