工程師常常面對各種挑戰,需要不斷開發新應用,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,您可以使用兩個單獨的放大器來構建這種放大器,形成復合放大器。將兩個運算放大器組合在一起,就能將各自的優勢特性集成于一體。這樣,與具有相同增益的單個放大器相比,兩個運算放大器組合可以實現更高的帶寬。

復合放大器

復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所示就是這種結構。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,可用于驅動其他模塊。

圖1． 兩個運算放大器串聯構成復合放大器的示意圖

圖1所示的復合放大器的配置與同相放大器的配置類似,后者具有兩個外部操作電阻R1和R2。將兩個串聯在一起的運算放大器看作一個放大器。總增益(G)通過電阻比設置,G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發生變化,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。

帶寬擴展

復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,但最高只能達到特定限值。一旦超過限值,可能會不穩定。兩個增益分布不均時,也會出現這種不穩定的情況。一般來說,在兩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,兩個放大器組合的–3 dB帶寬可以達到單個放大器的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增益更高。增益較低時,例如,從40 dB降至20db時,兩個放大器都會在開環曲 線的低區域內運行(參見圖2)。如此,與具有同樣增益的單個放大器相比,復合放大器可獲得更高帶寬。

圖2． 通過復合放大器擴展帶寬

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。輸出失調僅與第一個放大器的輸入失調誤差成正比,與第二個放大器的失調電壓無關。

噪聲分量也一樣。它也通過反饋得到修正,其中交流信號與兩個放大器級的帶寬預留相關。只要第一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 度占主導地位。但是,如果超過了放大器1的帶寬,那么第二個放大器的噪聲分量開始占主導。如果放大器1的帶寬過高,或者遠高于放大器2的帶寬,就會產生問題。這可能導致復合放大器的輸出中出現額外的噪聲峰值。

結論

通過將兩個放大器串聯在一起,可以將兩者的出色特性相結合,從而獲得使用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,在設計中,還必須通過修正放大器配置來確保系統的穩定性。如果考慮所有標準,復合放大器也可能適用于各種要求嚴苛的廣泛應用。