面對似乎不存在解決方案的應(yīng)用程序是正常的，幾乎是意料之中的。為了滿足他們的要求，我們需要考慮一種超越市場現(xiàn)有產(chǎn)品性能的解決方案。例如，應(yīng)用可能需要具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的高速高電壓放大器，但也可能需要出色的直流精度、低噪聲、低失真等。

滿足速度和輸出電壓/電流要求的放大器以及具有出色直流精度的放大器在市場上隨處可見，事實(shí)上，其中許多都是如此。但是，單個(gè)放大器可能不存在所有要求。當(dāng)面對這個(gè)問題時(shí)，有些人會(huì)認(rèn)為我們不可能滿足此類應(yīng)用的需求，我們必須滿足于平庸的解決方案，并使用精密放大器或高速放大器，也許會(huì)犧牲一些要求。幸運(yùn)的是，這并不完全正確。有一個(gè)復(fù)合放大器形式的解決方案，本文將展示它是如何實(shí)現(xiàn)的。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器是兩個(gè)獨(dú)立放大器的排列方式，其配置方式是實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)放大器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少每個(gè)放大器的缺點(diǎn)。

圖1.簡單的復(fù)合放大器配置。

參考圖1，AMP1應(yīng)具有出色的直流精度以及應(yīng)用所需的噪聲和失真性能。AMP2 應(yīng)提供輸出驅(qū)動(dòng)要求。在這種布置中，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)路內(nèi)。將討論這種安排的一些技術(shù)和好處。

設(shè)置增益

最初遇到復(fù)合放大器時(shí)，可能出現(xiàn)的第一個(gè)問題是如何設(shè)置增益。為了解決這個(gè)問題，將復(fù)合放大器視為包含在大三角形內(nèi)的單個(gè)同相運(yùn)算放大器是有幫助的，如圖2所示。如果我們想象三角形被涂黑，以至于我們看不到里面的東西，那么同相運(yùn)算放大器的增益為1 + R1/R2。揭示三角形內(nèi)的復(fù)合配置不會(huì)改變?nèi)魏螙|西——整個(gè)事物的增益仍然由 R1 和 R2 的比率控制。

在這種配置中，很容易認(rèn)為通過R3和R4改變AMP2的增益會(huì)影響AMP2的輸出電平，表明復(fù)合增益的變化，但事實(shí)并非如此。通過R3和R4增加AMP2附近的增益只會(huì)降低AMP1的有效增益和輸出電平，從而使復(fù)合輸出（AMP2輸出）保持不變?；蛘?，降低AMP2周圍的增益將有助于增加AMP1的有效增益。因此，一般來說，復(fù)合放大器的增益僅取決于R1和R2。

圖2.復(fù)合放大器被視為單個(gè)放大器。

本文將討論實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器配置時(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮因素。將重點(diǎn)介紹對帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴(kuò)展

與配置相同增益的單個(gè)放大器相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是帶寬更大。

參考圖3和圖4，假設(shè)我們有兩個(gè)獨(dú)立的放大器，每個(gè)放大器的增益帶寬積（GBWP）為100 MHz。 將它們組合在一起將增加組合的有效GBWP。在單位增益下，復(fù)合放大器提供~27%的–3 dB帶寬，盡管峰值量很小。然而，在更高的收益下，這種好處變得更加明顯。

圖3.單位增益下的復(fù)合放大器。

圖4.單位增益時(shí)帶寬改善 –3 dB。

圖5所示為增益為10的復(fù)合放大器。注意，通過R1和R2將復(fù)合增益設(shè)置為10。AMP2周圍的增益設(shè)置為約3.16，迫使AMP1的有效增益相同。在兩個(gè)放大器之間平均分配增益可產(chǎn)生最大可能的帶寬。

圖5.復(fù)合放大器配置為增益 = 10。

圖6顯示了增益為10的單個(gè)放大器與配置相同增益的復(fù)合放大器相比的頻率響應(yīng)。在這種情況下，復(fù)合的帶寬增加了~300%。這怎么可能？

圖6.增益 = 10 時(shí)帶寬提高 –3 dB。

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，并將使用兩個(gè)相同的放大器，每個(gè)放大器的開環(huán)增益為80 dB，GBWP為100 MHz。

圖7.增益分離以獲得最大帶寬。

圖8.單個(gè)放大器的預(yù)期響應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)組合的最高帶寬，我們將在兩個(gè)放大器之間平均分配所需的系統(tǒng)增益，使每個(gè)放大器的增益為20 dB。因此，將AMP2的閉環(huán)增益設(shè)置為20 dB也會(huì)強(qiáng)制AMP1的有效閉環(huán)增益為20 dB。在這種增益配置下，兩個(gè)放大器在開環(huán)曲線上的工作頻率低于任何一個(gè)放大器在40 dB增益下的工作頻率。因此，與相同增益的單放大器解決方案相比，該復(fù)合器件在增益為40 dB時(shí)將具有更高的帶寬。

雖然這聽起來相對簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但在設(shè)計(jì)復(fù)合放大器時(shí)應(yīng)適當(dāng)小心，使其具有盡可能高的帶寬，同時(shí)又不犧牲組合的穩(wěn)定性。在放大器不理想且可能不相同的實(shí)際應(yīng)用中，必須確保適當(dāng)?shù)脑鲆娌贾靡员３址€(wěn)定性。另外，請注意，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(shí)必須小心。

在某些情況下，可能無法平均分配增益。此時(shí)，兩個(gè)放大器之間增益的均勻分布要求AMP2的GBWP必須始終大于或等于AMP1的GBWP，否則將導(dǎo)致峰值和可能的不穩(wěn)定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 GBWP的情況下，通?？梢酝ㄟ^在兩個(gè)放大器之間重新分配增益來糾正不穩(wěn)定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會(huì)導(dǎo)致AMP1的有效增益增加。結(jié)果是，AMP1閉環(huán)帶寬隨著其在開環(huán)曲線上的較高工作而降低，而AMP2閉環(huán)帶寬隨著其在開環(huán)曲線上的較低工作而增加。如果充分應(yīng)用AMP1的減慢和AMP2的加速，復(fù)合組合的穩(wěn)定性將得到恢復(fù)。

本文選擇AD8397作為輸出級（AMP2），與AMP1的各種精密放大器接口，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，能夠提供310 mA電流。

保持直流精度

圖9.運(yùn)算放大器反饋環(huán)路。

在典型的運(yùn)算放大器電路中，一部分輸出被反饋到反相輸入。在環(huán)路中產(chǎn)生的輸出誤差乘以反饋因子（β）并減去。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。

圖 10.復(fù)合放大器反饋回路。

對于復(fù)合放大器，放大器A2有自己的反饋回路，但A2及其反饋回路都在A1的較大反饋回路內(nèi)。輸出現(xiàn)在包含由于 A2 引起的較大誤差，這些誤差將反饋給 A1 并進(jìn)行校正。較大的校正信號可保留A1的精度。

該復(fù)合反饋環(huán)路的效果在電路中可以清楚地看到，結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11所示為由兩個(gè)理想運(yùn)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。V操作系統(tǒng)1表示AMP1的50 μV失調(diào)電壓，而V操作系統(tǒng)2表示AMP2的可變失調(diào)電壓。圖 12 顯示，作為 V操作系統(tǒng)2從0 mV掃描至100 mV，輸出失調(diào)不受AMP2貢獻(xiàn)的誤差幅度（失調(diào)）的影響。相反，輸出失調(diào)僅與AMP1的誤差（50 μV乘以復(fù)合增益100）成正比，并且無論V值如何，均保持在5 mV操作系統(tǒng)2. 如果沒有復(fù)合環(huán)路，預(yù)計(jì)輸出誤差將高達(dá)500 mV。

圖 11.偏移誤差貢獻(xiàn)。

圖 12.復(fù)合輸出失調(diào)與 V 的關(guān)系操作系統(tǒng)2.

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(jìn)行校正，但是，在交流參數(shù)的情況下，兩級的帶寬也會(huì)發(fā)揮作用。我們將看一個(gè)使用輸出噪聲的例子來說明這一點(diǎn)，并理解失真消除以大致相同的方式發(fā)生。

參考圖13中的示例電路，只要第一級（AMP1）具有足夠的帶寬，它就會(huì)校正第二級（AMP2）的較大噪聲。隨著AMP1開始耗盡帶寬，來自AMP2的噪聲將開始占主導(dǎo)地位。但是，如果AMP1的帶寬過多，并且頻率響應(yīng)中存在峰值，則會(huì)在相同頻率下產(chǎn)生噪聲峰值。

圖 13.復(fù)合放大器的噪聲源。

在本例中，圖13中的電阻R5和R6分別代表AMP1和AMP2的固有噪聲源。圖14的上圖顯示了各種AMP1帶寬的頻率響應(yīng)以及單個(gè)固定帶寬下AMP2的頻率響應(yīng)?；叵胍幌略鲆娣指畈糠?，100 （40 dB） 的復(fù)合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益將強(qiáng)制有效 AMP1 增益為 20 （26 dB），如下所示。

下圖顯示了每種情況下的寬帶輸出噪聲密度。在低頻下，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(bǔ)償 AMP2，這種情況就會(huì)持續(xù)下去。

對于AMP1帶寬低于AMP2的情況，隨著AMP1帶寬開始滾動(dòng)，噪聲密度將開始由AMP2主導(dǎo)。這可以從圖14的兩條跡線中看到，當(dāng)噪聲攀升至200 nV/√Hz（40 nV/√Hz乘以AMP2增益5）時(shí)。最后，如果AMP1的帶寬比AMP2大得多，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，則復(fù)合放大器在相同頻率下將出現(xiàn)噪聲峰值，如圖14所示。由于頻率響應(yīng)峰值導(dǎo)致增益過大，噪聲峰值的幅度也會(huì)更高。

圖 14.噪聲性能與第 1 級帶寬的關(guān)系。

表3和表4顯示了在AD8397復(fù)合放大器中使用各種精密放大器作為第一級時(shí)的有效降噪和THD+n改善。

系統(tǒng)級應(yīng)用

圖 15.DAC輸出驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路

在本例中，DAC輸出緩沖器應(yīng)用的目標(biāo)是向低阻抗探頭提供10 V p-p的輸出，電流為500 mA p-p，噪聲和失真低，具有出色的直流精度，并具有盡可能高的帶寬。4 mA至20 mA電流輸出DAC的輸出由TIA轉(zhuǎn)換為電壓，然后轉(zhuǎn)換為復(fù)合放大器的輸入以進(jìn)行更大放大。當(dāng)AD8397在輸出端時(shí)，可以達(dá)到輸出要求。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可以是具有配置要求所需的所需直流精度的任何精密放大器。在本應(yīng)用中，各種前端精密放大器可與AD8397（和其他高輸出電流放大器）配合使用，以滿足應(yīng)用所需的出色直流要求和高輸出能力驅(qū)動(dòng)。

圖 16.V外和我外適用于AD8599和AD8397復(fù)合放大器。

這種配置不僅限于AD8397和AD8599，還可以與其他放大器組合配合使用，以滿足這種需要出色直流精度的輸出驅(qū)動(dòng)規(guī)格。表6和表7中的放大器也適用于此應(yīng)用。

結(jié)論

使用復(fù)合放大器，兩個(gè)放大器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了每個(gè)放大器提供的最佳規(guī)格，同時(shí)彌補(bǔ)了它們的局限性。具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的放大器與精密前端放大器相結(jié)合，可以為具有挑戰(zhàn)性要求的應(yīng)用提供解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)，請始終考慮穩(wěn)定性、噪聲峰值、帶寬和壓擺率，以獲得最佳性能。有很多可能的選擇來滿足廣泛的應(yīng)用。通過適當(dāng)?shù)膶?shí)施和組合，為應(yīng)用程序取得適當(dāng)?shù)钠胶馐歉叨瓤梢詫?shí)現(xiàn)的。

審核編輯：郭婷