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运算放大器的串联:如何同时实现高精度和高输出功率

  • 赖品如

图1. 两个运算放大器串联构成复合放大器的示意图

工程师常常面对著各种挑战,因此需要不断开发新应用以满足广泛的需求。一般来说,这些需求很难同时满足。例如,一款高速、高压运算放大器同时还具有高输出功率,以及同样出色的直流精度、杂讯和失真效能。市面上很少能见到兼具所有这些特性的运算放大器,但是可以使用两个单独的放大器来建构这种放大器,以构成一复合式放大器。将两个运算放大器组合在一起,就能将各自的优势特性集成于一体。如此一来,相较于具有相同增益的单个放大器,两个运算放大器组合便可以实现更高的带宽。

复合式放大器

图2.透过复合放大器扩展带宽。

复合式放大器由两个单独放大器组合而成,其分别具有不同的特性。 图1所示为此种结构。放大器1为低杂讯精密放大器ADA4091-2。 在本例中,放大器2为AD8397,具有高输出功率,可用于驱动其它模块。


图1所示的复合放大器的配置与同相放大器的配置类似,后者具有两个外部操作电阻R1和R2。将两个串联在一起的运算放大器看作一个放大器。总增益(G)透过电阻比设定,G = 1 + R1/R2。如果R3与R4电阻比发生变化,则会影响放大器2 (G2)的增益,也会影响放大器1 (G1)的增益或输出电平。但是,R3和R4不会改变有效总增益。如果G2降低,G1将增加。

带宽扩展

复合式放大器的另一个特性是具备更高带宽。相较于单个放大器,复合放大器的带宽更高。所以,如果使用两个完全相同的放大器,其增益带宽积(GBWP)为100 MHz,增益G = 1,那么–3 dB带宽可以提高约27%。增益越高,效果越明显,但最高只能达到特定限值。一旦超过限值,可能会不稳定。两个增益分布不均时,也会出现这种不稳定的情况。

一般来说,在两个放大器的增益均等分布的情况下,可获得最大带宽。采用上述值(GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10),在总增益为10时,两个放大器组合的–3 dB带宽可以达到单个放大器的3倍。这项说明相对简单。增益均匀分布时,G2也会获得与放大器1相同的有效增益。但是,每个独立放大器的开回路增益更高。当增益较低时,例如,从40dB降至20db时,两个放大器都会在开回路曲线的低区域内运行(参见图2)。如此,与具有同样增益的单个放大器相比,复合式放大器可获得更高带宽。


直流精度和杂讯

在典型运算放大器电路中,部分输出会馈送到反相输入。如此,可以透过回馈路径来修正输出误差,以提高精度。图1所示的组合也为放大器2提供了单独的回馈路径,虽然它也在放大器1 的回馈路径中。整体配置输出会因放大器2产生更大误差,但在回馈给放大器1时,会修正这种误差。因此,可以保持放大器1的精度。输出失调仅与第一个放大器的输入失调误差成正比,与第二个放大器的失调电压无关。

杂讯分量也是一样。它也透过回馈得到修正,其中交流讯号与两个放大器级的带宽预留相关。只要第一个放大器级具备足够带宽,它便会修正放大器2的杂讯分量。至此,其输出电压杂讯密度占主导地位。但是,如果超过了放大器1的带宽,那么第二个放大器的杂讯分量开始占主导地位。如果放大器1的带宽过高,或者远高于放大器2的带宽,那么便会产生问题,而这可能会导致复合放大器的输出中出现额外的杂讯峰值。

结论

透过将两个放大器串联在一起,可以将两者的出色特性相结合,而能获得使用单个运算放大器无法实现的结果。例如,可以实现具有高输出功率和高带宽的高精度放大器。图1所示的示例电路使用了轨对轨放大器AD8397(–3 dB带宽 = 69 MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3 dB带宽 = 1.2 MHz),将两者组合得到的带宽比单个放大器(放大器1)的带宽要高2倍以上(G = 10)。此外,将AD8397和各种精密放大器组合,还可以降低杂讯,并改善THD特性。但是,在设计中,还必须透于修正放大器配置来确保系统的稳定性。如果考虑所有标准,复合放大器也可能适用于各种要求严苛的广泛应用中。(文章由ADI应用工程师Thomas Brand撰写;赖品如整理报导)