運算放大器的串聯(lián):如何同時實現(xiàn)高精度和高輸出功率

1   復(fù)合放大器

復(fù)合放大器由兩個單獨放大器組合而成，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)動其他模塊。

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2個外部操作電阻R1和R2。將2個串聯(lián)在一起的運算放大器看作1個放大器。總增益(G)通過電阻比設(shè)置，G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發(fā)生變化，會影響放大器2 (G2)的增益，也會影響放大器1 (G1)的增益或輸出電平。但是，R3和R4不會改變有效總增益。如果G2降低，G1將增加。

圖1 2個運算放大器串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合放大器的示意圖

2   帶寬擴(kuò)展

復(fù)合放大器的另一個特性是具備更高帶寬。相比單個放大器，復(fù)合放大器的帶寬更高。所以，如果使用兩個完全相同的放大器，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。一旦超過限值，可能會不穩(wěn)定。2個增益分布不均時，也會出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來說，在2個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，2個放大器組合的–3 dB帶寬可以達(dá)到單個放大器的3倍。

這種說明相對簡單。增益均勻分布時，G2也會獲得與放大器1相同的有效增益。但是，每個獨立放大器的開環(huán)增益更高。增益較低時，例如，從40 dB降至20 dB時，2個放大器都會在開環(huán)曲線的低區(qū)域內(nèi)運行（參見圖2）。如此，與具有同樣增益的單個放大器相比，復(fù)合放大器可獲得更高帶寬。

圖2 通過復(fù)合放大器擴(kuò)展帶寬

3   直流精度和噪聲

在典型運算放大器電路中，部分輸出會饋送到反相輸入。如此，可以通過反饋路徑來修正輸出誤差，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。整體配置輸出會因放大器2產(chǎn)生更大誤差，但在反饋給放大器1時，會修正這種誤差。因此，可以保持放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第1個放大器的輸入失調(diào)誤差成正比，與第2個放大器的失調(diào)電壓無關(guān)。

噪聲分量也一樣。它也通過反饋得到修正，其中交流信號與2個放大器級的帶寬預(yù)留相關(guān)。只要第1個放大器級具備足夠帶寬，它就會修正放大器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，如果超過了放大器1的帶寬，那么第2個放大器的噪聲分量開始占主導(dǎo)。如果放大器1的帶寬過高，或者遠(yuǎn)高于放大器2的帶寬，就會產(chǎn)生問題。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。

4   結(jié)論

通過將2個放大器串聯(lián)在一起，可以將兩者的出色特性相結(jié)合，從而獲得使用單個運算放大器無法實現(xiàn)的結(jié)果。例如，可以實現(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)計中，還必須通過修正放大器配置來確保系統(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。

作者簡介：

Thomas Brand

Thomas Brand，碩士，現(xiàn)場應(yīng)用工程師，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)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。

工程師常常面對各種挑戰(zhàn)，需要不斷開發(fā)新應(yīng)用，以滿足廣泛的需求。一般來說，這些需求很難同時滿足。例如一款高速、高壓運算放大器（運放），同時還具有高輸出功率，以及同樣出色的直流精度、噪聲和失真性能。市面上很少能見到兼具所有這些特性的運算放大器。但是，您可以使用2個單獨的放大器來構(gòu)建這種放大器，形成復(fù)合放大器。將2個運算放大器組合在一起，就能將各自的優(yōu)勢特性集成于一體。這樣，與具有相同增益的單個放大器相比，2個運算放大器組合可以實現(xiàn)更高的帶寬。

（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）