運算放大器的串聯：如何同時實現高精度和高輸出功率

作者： Thomas Brand，ADI 現場應用工程師

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?？傇鲆妫℅）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。

作者

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現場應用工程師培訓生項目。之后在2017年2月，他開始擔任現場應用工程師職位，主要負責工業大客戶。此外，他還專注于研究工業以太網，并為中歐的相關主題提供支持。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。