滿足速度和輸出電壓/電(dian)流(liu)要(yao)求(qiu)的(de)放(fang)大(da)器(qi)以(yi)及(ji)具(ju)有(you)出(chu)色(se)直(zhi)流(liu)精(jing)度(du)的(de)放(fang)大(da)器(qi)在(zai)市(shi)場(chang)上(shang)很(hen)容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)

，事(shi)實(shi)上(shang)很(hen)多(duo)都(dou)是(shi)如(ru)此(ci)。但(dan)是(shi)
，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)通(tong)過(guo)單(dan)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)滿(man)足(zu)。當(dang)遇(yu)到(dao)這(zhe)樣(yang)的(de)問(wen)題(ti)時(shi)
，有(you)些(xie)人(ren)會(hui)認(ren)為(wei)我(wo)們(men)不(bu)可(ke)能(neng)滿(man)足(zu)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)的(de)要(yao)求(qiu)，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)於(yu)平(ping)庸(yong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，要(yao)麼(me)選(xuan)用(yong)精(jing)密(mi)放(fang)大(da)器(qi)
，要(yao)麼(me)選(xuan)用(yong) 高(gao)速(su)放(fang)大(da)器(qi)，可(ke)能(neng)要(yao)犧(xi)牲(sheng)一(yi)些(xie)要(yao)求(qiu)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，這(zhe)並(bing)非(fei)全(quan)然(ran)正(zheng)確(que)。對(dui)此(ci)，有(you)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)采(cai)用(yong)複(fu)合(he)放(fang)大(da)器(qi)，本(ben)文(wen)將(jiang)說(shuo)明(ming)它(ta)是(shi)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)的(de)。

 

複合放大器

 

複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每個放大器的優點

，又能削弱每個放大器的缺點。

 

圖1. 簡單複合放大器配置

 

參考圖1
，AMP1具有應用所需的出色直流精度以及噪聲和失真性能。AMP2滿足輸出驅動要求。在這種配置中，具有所需輸出規格的放大器(AMP2)放置在具有所需輸入規格的放大器(AMP1)的反饋環路中。下麵將討論這種配置涉及的一些技術及其益處。

 

設置增益

 

chuyufuhefangdaqishi，diyigewentikenengshiruheshezhizengyi。weilejiejuezhegewenti，jiangfuhefangdaqishiweibaohanzaidasanjiaoxingneidedangetongxiangyunsuanfangdaqishiyoubangzhude，rutu2所示。想象大三角形是黑色的
，我們無法看清裏麵的東西，那麼同相運算放大器的增益就是1 + R1/R2。揭開大三角形內部的複合配置並沒有改變任何東 西
，整個電路的增益仍然由R1和R2的比率控製。

 

在這種配置中，人們很容易認為通過R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平
，表明複合增益會發生變化
，但事實並非如此。通過R3和R4提高AMP2周圍的增益隻會降低AMP1的有效增益和輸出電平，而複合輸出（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，複合放大器的增益一般僅取決於R1和R2。

 

圖2. 複合放大器被視為單個放大器

 

本文將討論實現複合放大器配置的主要優點和設計考慮因素。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，實現複合放大器的主要優點之一是帶寬更寬。

 

參考圖3和圖4
，假設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。將它們組合成一個複合配置，整個組合的有效 GBWP將會增加。在單位增益時，複合放大器的-3 dB帶寬要高出約27%，盡管有少量峰化。在更高增益下，這種優勢變得越發明顯。

 

圖3. 單位增益複合放大器

 

圖4. 單位增益時的-3 dB帶寬改善情況

 

圖5顯示了增益為10的複合放大器。請注意，複合增益通過R1和R2設置為10。AMP2周圍的增益設置為約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生最大可能的帶寬。

 

圖5. 複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與配置為同樣增益的複合放大器的頻率響應。在這種情況下
，複合放大器的-3 dB 帶寬高出約300%。這怎麼可能？

 

圖6. 增益為10時的-3 dB帶寬改善情況

 

有關具體示例
，請參閱圖7和圖8。我們要求係統增益為40 dB，使用兩個相同的放大器，每個放大器的開環增益為80 dB，GBWP為100 MHz。

 

圖7. 分配增益以獲得最大帶寬

 

圖8. 單個放大器的預期響應

 

為使組合實現最高可能帶寬，我們將在兩個放大器之間平均分配所需的係統增益，每個放大器需提高20 dB的增益。因此
，將AMP2的閉環增益設置為20 dB會迫使AMP1的有效閉環增益同樣達到20dB。采用這種增益配置，兩個放大器在開環曲線上的工作點均低於任何一個在40dB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，複合放大器在增益為40 dB時將具有更高的帶寬。

 

雖sui然ran看kan似si相xiang對dui簡jian單dan且qie易yi於yu實shi現xian
，但dan在zai設she計ji複fu合he放fang大da器qi時shi應ying采cai取qu適shi當dang的de措cuo施shi來lai獲huo得de盡jin可ke能neng高gao的de帶dai寬kuan
，同tong時shi不bu能neng犧xi牲sheng組zu合he的de穩wen定ding性xing。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，放fang大da器qi有you非fei理li想xiang特te性xing，而er且qie可ke能neng不bu完wan全quan相xiang同tong，這zhe就jiu要yao求qiu使shi用yong適shi當dang的de增zeng益yi配pei置zhi來lai保bao持chi穩wen定ding性xing。另ling外wai應ying注zhu意yi，複fu合he增zeng益yi將jiang以yi-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必須始終大於或等於AMP1的GBWP
，否則將導致峰化

，並且可能導致電路不穩定。在AMP1 GBWP必須大於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定性。在這種情況下，降低 AMP2的增益會導致AMP1的有效增益提高。結果是AMP1閉環帶寬降低，因為其在開環曲線上的工作點提高，而AMP2閉環帶寬提高，因為其在開環曲線上的工作點降低。如果充分應用AMP1 的減速和AMP2的加速

，複合放大器的穩定性就會恢複。

 

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

 

表1. 不同放大器組合的帶寬擴展，增益為10
，VOUT = 10 V p-p VOUT = 10 V p-p

 

保持直流精度

 

圖9. 運算放大器反饋環路

 

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（環路中產生）乘以反饋因子(β)，然後予以扣除。這有助於保持輸出相對於輸入乘以閉環增益(A)的保真度。

 

圖10. 複合放大器反饋環路

 

對於複合放大器，放大器A2有自己的反饋環路，但A2及其反饋環路都在A1的較大反饋環路內。輸出現在包含A2引起的較大誤差，這些誤差被反饋到A1並進行校正。較大的校正信號導致A1的精度得以保留。

 

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

 

圖11. 失調誤差貢獻

 

圖12. 複合輸出失調與 VOS2的關係

 

表2. 增益為100時的輸出失調電壓

 

噪聲和失真

 

複fu合he放fang大da器qi的de輸shu出chu噪zao聲sheng和he諧xie波bo失shi真zhen以yi與yu直zhi流liu誤wu差cha類lei似si的de方fang式shi進jin行xing校xiao正zheng
，但dan對dui於yu交jiao流liu參can數shu
，兩liang級ji的de帶dai寬kuan也ye會hui起qi作zuo用yong。我wo們men將jiang舉ju一yi個ge例li子zi，使shi用yong輸shu出chu噪zao聲sheng來lai說shuo明ming這zhe一yi點dian；同時應理解，失真消除方式大致相同。

 

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

 

圖13. 複合放大器的噪聲源

 

對於此例，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帶寬的頻率響應以及單一固定帶寬的AMP2的頻率響應。回憶增益分配部分，若複合增益為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的複合增益等於100 nV/√HZ）。隻要AMP1有足夠的帶寬來補償AMP2
，這種情況就會持續下去。

 

若AMP1帶寬小於AMP2帶寬，當AMP1帶寬開始滾降時

，噪聲密度將開始由AMP2主導。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）。最後
，若AMP1具有比AMP2大得多的帶寬
，導致頻率響應出現峰化，則複合放大器將在相同頻率處呈現噪聲峰值，如圖14所示。由於頻率響應峰化引起過大增益
，噪聲峰值的幅度也會更高。

 

圖14. 噪聲性能與第一級帶寬的關係

 

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形成複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

 

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

 

係統級應用

 

圖15. DAC輸出驅動器的應用電路

 

在此示例中
，DAC輸出緩衝器應用的目標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轉換為電壓，然後轉換為複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。

 

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，以實現應用所需的出色直流精度和高輸出驅動能力。

 

圖16. AD8599和AD8397複合放大器的 VOUT 和 IOUT

 

表5. AD8599+AD8397複合放大器規格

 

此配置不限於AD8397和 AD8599, 其他放大器組合也是可行的，隻要滿足輸出驅動要求並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用。

 

表6. 具有高輸出電流驅動能力的放大器

 

表7. 精密前端放大器

 

結論

 

兩(liang)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)結(jie)合(he)成(cheng)複(fu)合(he)放(fang)大(da)器(qi)，可(ke)實(shi)現(xian)每(mei)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)的(de)最(zui)佳(jia)規(gui)格(ge)
，同(tong)時(shi)彌(mi)補(bu)各(ge)自(zi)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)。具(ju)有(you)高(gao)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)能(neng)力(li)的(de)放(fang)大(da)器(qi)與(yu)精(jing)密(mi)前(qian)端(duan)放(fang)大(da)器(qi)相(xiang)結(jie)合(he)，可(ke)為(wei)非(fei)常(chang)棘(ji)手(shou)的(de)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。設(she)計(ji)時(shi)務(wu)必(bi)考(kao)慮(lv)穩(wen)定(ding)性(xing)、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用需求。正確的實施和組合可以實現應用的恰當平衡。

 

 

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