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          復(fù)合放大器:高精度的高輸出驅(qū)動能力

          作者:ADI公司 Jino Loquinario 時間:2019-12-04 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          簡介

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201912/407838.htm

          要開發(fā)的應(yīng)用似乎不存在解決方案是很正常的,甚至幾乎是情理之中的。為了滿足應(yīng)用要求,我們需要想出一種超出市場上現(xiàn)有產(chǎn)品性能的解決方案。例如,應(yīng)用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅(qū)動能力的,同時還可能要求出色的直流、低噪聲、低失真等。

          滿足速度和輸出電壓/電流要求的以及具有出色直流在市場上很容易獲得,事實上很多都是如此。但是,所有這些要求可能無法通過單個放大器來滿足。當(dāng)遇到這樣的問題時,有些人會認(rèn)為我們不可能滿足此類應(yīng)用的要求,我們必須滿足于平庸的解決方案,要么選用精密放大器,要么選用高速放大器,可能要犧牲一些要求。幸運的是,這并非全然正確。對此,有一種解決方案是采用復(fù)合放大器,本文將說明它是如何實現(xiàn)的。

          復(fù)合放大器

          復(fù)合放大器由兩個獨立的放大器組成,其配置方式使得人們既能實現(xiàn)每個放大器的優(yōu)點,又能削弱每個放大器的缺點。

          259914-fig-01.jpg

          圖1.簡單復(fù)合放大器配置

          參考圖1,AMP1具有應(yīng)用所需的出色直流以及噪聲和失真性能。AMP2滿足輸出驅(qū)動要求。在這種配置中,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)路中。下面將討論這種配置涉及的一些技術(shù)及其益處。

          設(shè)置增益

          初遇復(fù)合放大器時,第一個問題可能是如何設(shè)置增益。為了解決這個問題,將復(fù)合放大器視為包含在大三角形內(nèi)的單個同相運算放大器是有幫助的,如圖2所示。想象大三角形是黑色的,我們無法看清里面的東西,那么同相運算放大器的增益就是1 + R1/R2。揭開大三角形內(nèi)部的復(fù)合配置并沒有改變?nèi)魏螙|西,整個電路的增益仍然由R1和R2的比率控制。

          在這種配置中,人們很容易認(rèn)為通過R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平,表明復(fù)合增益會發(fā)生變化,但事實并非如此。通過R3和R4提高AMP2周圍的增益只會降低AMP1的有效增益和輸出電平,而復(fù)合輸出(AMP2輸出)保持不變。或者,降低AMP2周圍的增益將會提高AMP1的有效增益。因此,復(fù)合放大器的增益一般僅取決于R1和R2。

          259914-fig-02.jpg

          圖2.復(fù)合放大器被視為單個放大器

          本文將討論實現(xiàn)復(fù)合放大器配置的主要優(yōu)點和設(shè)計考慮因素。本文將重點說明其對帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

          帶寬擴展

          與配置為相同增益的單個放大器相比,實現(xiàn)復(fù)合放大器的主要優(yōu)點之一是帶寬更寬。

          參考圖3和圖4,假設(shè)我們有兩個獨立的放大器,每個放大器的增益帶寬積(GBWP)為100 MHz。將它們組合成一個復(fù)合配置,整個組合的有效GBWP將會增加。在單位增益時,復(fù)合放大器的-3 dB帶寬要高出約27%,盡管有少量峰化。在更高增益下,這種優(yōu)勢變得越發(fā)明顯。

          259914-fig-03.jpg

          3.單位增益復(fù)合放大器

          259914-fig-04.jpg

          4.單位增益時的-3 dB帶寬改善情況

          圖5顯示了增益為10的復(fù)合放大器。請注意,復(fù)合增益通過R1和R2設(shè)置為10。AMP2周圍的增益設(shè)置為約3.16,迫使AMP1的有效增益與此相同。在兩個放大器之間平均分配增益可以產(chǎn)生最大可能的帶寬。

          259914-fig-04.jpg

          5.復(fù)合放大器的增益配置為10

          圖6比較了增益為10的單個放大器的頻率響應(yīng)與配置為同樣增益的復(fù)合放大器的頻率響應(yīng)。在這種情況下,復(fù)合放大器的-3 dB帶寬高出約300%。這怎么可能?

          259914-fig-05.jpg

          6.增益為10時的-3 dB帶寬改善情況

          有關(guān)具體示例,請參閱圖7和圖8。我們要求系統(tǒng)增益為40 dB,使用兩個相同的放大器,每個放大器的開環(huán)增益為80 dB,GBWP為100 MHz。

          259914-fig-07.jpg

          7.分配增益以獲得最大帶寬

          259914-fig-08.jpg

          8.單個放大器的預(yù)期響應(yīng)

          為使組合實現(xiàn)最高可能帶寬,我們將在兩個放大器之間平均分配所需的系統(tǒng)增益,每個放大器需提高20 dB的增益。因此,將AMP2的閉環(huán)增益設(shè)置為20 dB會迫使AMP1的有效閉環(huán)增益同樣達到20 dB。采用這種增益配置,兩個放大器在開環(huán)曲線上的工作點均低于任何一個在40 dB增益時的工作點。因此,與同樣增益的單個放大器解決方案相比,復(fù)合放大器在增益為40 dB時將具有更高的帶寬。

          雖然看似相對簡單且易于實現(xiàn),但在設(shè)計復(fù)合放大器時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣慝@得盡可能高的帶寬,同時不能犧牲組合的穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中,放大器有非理想特性,而且可能不完全相同,這就要求使用適當(dāng)?shù)脑鲆媾渲脕肀3址€(wěn)定性。另外應(yīng)注意,復(fù)合增益將以-40 dB/十倍頻程的速度滾降,因此在兩級之間分配增益時必須小心。

          在某些情況下,平均分配增益可能無法做到。就此而言,要在兩個放大器之間均等分配增益,AMP2的GBWP必須始終大于或等于AMP1的GBWP,否則將導(dǎo)致峰化,并且可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 GBWP的情況下,在兩個放大器之間重新分配增益通常可以校正不穩(wěn)定性。在這種情況下,降低AMP2的增益會導(dǎo)致AMP1的有效增益提高。結(jié)果是AMP1閉環(huán)帶寬降低,因為其在開環(huán)曲線上的工作點提高,而AMP2閉環(huán)帶寬提高,因為其在開環(huán)曲線上的工作點降低。如果充分應(yīng)用AMP1的減速和AMP2的加速,復(fù)合放大器的穩(wěn)定性就會恢復(fù)。

          本文選用AD8397作為輸出級(AMP2),與各種精度的放大器AMP1連接以展示復(fù)合放大器的優(yōu)勢。AD8397是一款高輸出電流放大器,可提供310 mA電流。

          同放大器組合的帶寬擴展,增益為10,VOUT = 10 V p-p

          放大器
          單個放大器帶寬(kHz)
          復(fù)合放大器帶寬(kHz)
          帶寬擴展%
          ADA4091
          30
          94
          213
          AD8676
          165
          517
          213
          AD8599
          628
          2674
          325

          保持直流精度

          259914-fig-09.jpg

          9.運算放大器反饋環(huán)路

          在典型運算放大器電路中,輸出的一部分會被反饋到反相輸入。輸出端存在的誤差(環(huán)路中產(chǎn)生)乘以反饋因子(β),然后予以扣除。這有助于保持輸出相對于輸入乘以閉環(huán)增益(A)的保真度。

          259914-fig-10.jpg

          10.復(fù)合放大器反饋環(huán)路

          對于復(fù)合放大器,放大器A2有自己的反饋環(huán)路,但A2及其反饋環(huán)路都在A1的較大反饋環(huán)路內(nèi)。輸出現(xiàn)在包含A2引起的較大誤差,這些誤差被反饋到A1并進行校正。較大的校正信號導(dǎo)致A1的精度得以保留。

          在圖11所示電路和圖12所示結(jié)果中可以清楚地看到該復(fù)合反饋環(huán)路的影響。圖11顯示了一個由兩個理想運算放大器組成的復(fù)合放大器。復(fù)合增益為100,AMP2增益設(shè)置為5。VOS1表示AMP1的50μV失調(diào)電壓,而VOS2表示AMP2的可變失調(diào)電壓。圖12顯示,當(dāng)VOS2從0 mV掃描到100 mV時,輸出失調(diào)不受AMP2貢獻的誤差(失調(diào))幅度的影響。相反,輸出失調(diào)僅與AMP1的誤差(50μV乘以復(fù)合增益100)成比例,并且無論VOS2的值是多少,它都保持在5 mV。如果沒有復(fù)合環(huán)路,我們預(yù)計輸出誤差會高達500 mV。

          259914-fig-11.jpg

          11.失調(diào)誤差貢獻

          259914-fig-12.jpg

          12.復(fù)合輸出失調(diào)與VOS2的關(guān)系


          表2.增益為100時的輸出失調(diào)電壓

          放大器
          有效VOS   (mV)
          VOS降幅(復(fù)合配置)
          AD8397
          100
          AD8397+ADA4091
          3.528.6×
          AD8397+AD8676
          1.283.3×
          AD8397+AD8599
          1100×

          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行校正,但對于交流參數(shù),兩級的帶寬也會起作用。我們將舉一個例子,使用輸出噪聲來說明這一點;同時應(yīng)理解,失真消除方式大致相同。

          參考圖13所示電路,只要第一級(AMP1)有足夠的帶寬,它就會校正第二級(AMP2)的較大噪聲。當(dāng)AMP1的帶寬開始耗盡時,來自AMP2的噪聲將開始占主導(dǎo)地位。但是,如果AMP1帶寬過多,并且頻率響應(yīng)中存在峰化,那么在相同頻率處將產(chǎn)生噪聲峰值。

          259914-fig-13.jpg

          13.復(fù)合放大器的噪聲源

          259914-fig-14.jpg

          14.噪聲性能與第一級帶寬的關(guān)系

          對于此例,圖13中的電阻R5和R6分別代表AMP1和AMP2的固有噪聲源。圖14的上部曲線顯示了各種AMP1帶寬的頻率響應(yīng)以及單一固定帶寬的AMP2的頻率響應(yīng)。回憶增益分配部分,若復(fù)合增益為100 (40 dB),AMP2增益為5 (14 dB),則AMP1的有效增益將為20 (26 dB),如此處所示。

          下部曲線顯示了每種情況的寬帶輸出噪聲密度。在低頻時,輸出噪聲密度以AMP1為主(1 nV/√HZ乘以100的復(fù)合增益等于100 nV/√HZ)。只要AMP1有足夠的帶寬來補償AMP2,這種情況就會持續(xù)下去。

          若AMP1帶寬小于AMP2帶寬,當(dāng)AMP1帶寬開始滾降時,噪聲密度將開始由AMP2主導(dǎo)。這可以在圖14的兩條跡線中看到,噪聲上升至200 nV/√HZ(40 nV/√HZ乘以AMP2的增益5)。最后,若AMP1具有比AMP2大得多的帶寬,導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰化,則復(fù)合放大器將在相同頻率處呈現(xiàn)噪聲峰值,如圖14所示。由于頻率響應(yīng)峰化引起過大增益,噪聲峰值的幅度也會更高。

          表3和表4分別顯示了使用不同精密放大器作為第一級與AD8397形成復(fù)合放大器時的有效噪聲降低情況和THD+n改善情況。

          表3.使用不同前端放大器的降噪情況,有效增益 = 100,f = 1 kHz

          配置
          噪聲,en   (nV/√HZ)
          有效噪聲降幅(%)
          僅AD8397
          450

          AD8397+ADA4084
          390
          13.33
          AD8397+AD8676
          280
          37.78
          AD8397+AD8599
          107
          76.22


          表4.使用不同前端放大器的THD+n比較,有效增益 = 10,f = 1 kHz,ILOAD = 200 mA

          配置
          有效THD+n(dB)
          THD+n改善幅度(dB)
          僅AD8397
          –100.22

          AD8397+ADA4084
          –105.32
          5.10
          AD8397+AD8676
          –106.68
          6.46
          AD8397+AD8599
          –106.21
          5.99


                 系統(tǒng)級應(yīng)用

          在此示例中,DAC輸出緩沖器應(yīng)用的目標(biāo)是為低阻抗探針提供10 V p-p的輸出,電流為500 mA p-p,要求低噪聲、低失真、出色的直流精度以及盡可能高的帶寬。DAC輸出的4 mA至20 mA電流將通過TIA轉(zhuǎn)換為電壓,然后轉(zhuǎn)換為復(fù)合放大器的輸入以進一步放大。輸出端的AD8397可滿足輸出要求。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。

          259914-fig-15.jpg

          15.DAC輸出驅(qū)動器的應(yīng)用電路

          AMP1可以是任何具有配置所需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都能與AD8397(以及其他高輸出電流放大器)配合使用,以實現(xiàn)應(yīng)用所需的出色直流精度和高輸出驅(qū)動能力。

          259914-fig-16.jpg

          16.AD8599AD8397復(fù)合放大器的 VOUT和 IOUT

          表5.AD8599+AD8397復(fù)合放大器規(guī)格image.png

          此配置不限于AD8397和AD8599,其他放大器組合也是可行的,只要滿足輸出驅(qū)動要求并提供出色的直流精度即可。表6和表7中的放大器也適合此應(yīng)用。


          表6.具有高輸出電流驅(qū)動能力的放大器

          高輸出電流放大器
          電流驅(qū)動(A)
          壓擺率
          VS范圍,最大值(V)
          ADA4870
          12.5kV/μs
          40
          LT6301
          1.2600V/μs
          27
          LT1210
          2900V/μs
          36


          表7.精密前端放大器

          精密放大器
          VOS(μV)
          VNOISE,en(nV/√HZ)
          THD+n1kHz (dB)
          LT6018
          501.2–115
          ADA4625
          803.3–110
          ADA4084
          1003.9–90

          結(jié)論

          兩個放大器結(jié)合成復(fù)合放大器,可實現(xiàn)每個放大器的最佳規(guī)格,同時彌補各自的局限性。具有高輸出驅(qū)動能力的放大器與精密前端放大器相結(jié)合,可為非常棘手的應(yīng)用提供解決方案。設(shè)計時務(wù)必考慮穩(wěn)定性、噪聲峰化、帶寬和壓擺率,以獲得最佳性能。有許多可能的方案來滿足各種應(yīng)用需求。正確的實施和組合可以實現(xiàn)應(yīng)用的恰當(dāng)平衡。

          致謝

          Zoltan Frasch和Bruce Petipas為本文做出了技術(shù)貢獻,作者對此表示感謝。

          作者簡介

          Jino Loquinario 2014年加入ADI公司,目前擔(dān)任線性產(chǎn)品與解決方案部門的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他畢業(yè)于菲律賓科技大學(xué)米沙鄢分校,獲電子工程學(xué)士學(xué)位。



          關(guān)鍵詞: 放大器 精度

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