簡介

要開發的應用似乎不存在解決(jue) 方案是很正常的，甚至幾乎是情理之中的。為(wei) 了滿足應用要求，我們(men) 需要想出一種超出市場上現有產(chan) 品性能的解決(jue) 方案。例如，應用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅動能力的放大器，同時還可能要求出色的直流精度、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很容易獲得，事實上很多都是如此。但是，所有這些要求可能無法通過單個(ge) 放大器來滿足。當遇到這樣的問題時，有些人會(hui) 認為(wei) 我們(men) 不可能滿足此類應用的要求，我們(men) 必須滿足於(yu) 平庸的解決(jue) 方案，要麽(me) 選用精密放大器，要麽(me) 選用高速放大器，可能要犧牲一些要求。幸運的是，這並非全然正確。對此，有一種解決(jue) 方案是采用複合放大器，本文將說明它是如何實現的。

複合放大器

複合放大器由兩(liang) 個(ge) 獨立的放大器組成，其配置方式使得人們(men) 既能實現每個(ge) 放大器的優(you) 點，又能削弱每個(ge) 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

初遇複合放大器時，第一個(ge) 問題可能是如何設置增益。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，將複合放大器視為(wei) 包含在大三角形內(nei) 的單個(ge) 同相運算放大器是有幫助的，如圖2所示。想象大三角形是黑色的，我們(men) 無法看清裏麵的東(dong) 西，那麽(me) 同相運算放大器的增益就是1 + R1/R2。揭開大三角形內(nei) 部的複合配置並沒有改變任何東(dong) 西，整個(ge) 電路的增益仍然由R1和R2的比率控製。

在這種配置中，人們(men) 很容易認為(wei) 通過R3和R4改變AMP2的增益會(hui) 影響AMP2的輸出電平，表明複合增益會(hui) 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(hui) 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(hui) 提高AMP1的有效增益。因此，複合放大器的增益一般僅(jin) 取決(jue) 於(yu) R1和R2。

圖2.複合放大器被視為(wei) 單個(ge) 放大器

本文將討論實現複合放大器配置的主要優(you) 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(yu) 配置為(wei) 相同增益的單個(ge) 放大器相比，實現複合放大器的主要優(you) 點之一是帶寬更寬。

參考圖3和圖4，假設我們(men) 有兩(liang) 個(ge) 獨立的放大器，每個(ge) 放大器的增益帶寬積(GBWP)為(wei) 100 MHz。將它們(men) 組合成一個(ge) 複合配置，整個(ge) 組合的有效GBWP將會(hui) 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(you) 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(wei) 10的複合放大器。請注意，複合增益通過R1和R2設置為(wei) 10。AMP2周圍的增益設置為(wei) 約3.16，迫使AMP1的有效增益與(yu) 此相同。在兩(liang) 個(ge) 放大器之間平均分配增益可以產(chan) 生最大可能的帶寬。

圖5.複合放大器的增益配置為(wei) 10

圖6比較了增益為(wei) 10的單個(ge) 放大器的頻率響應與(yu) 配置為(wei) 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%。這怎麽(me) 可能？

圖6.增益為(wei) 10時的-3 dB帶寬改善情況

有關(guan) 具體(ti) 示例，請參閱圖7和圖8。我們(men) 要求係統增益為(wei) 40 dB，使用兩(liang) 個(ge) 相同的放大器，每個(ge) 放大器的開環增益為(wei) 80 dB，GBWP為(wei) 100 MHz。

圖7.分配增益以獲得最大帶寬

圖8.單個(ge) 放大器的預期響應

為(wei) 使組合實現最高可能帶寬，我們(men) 將在兩(liang) 個(ge) 放大器之間平均分配所需的係統增益，每個(ge) 放大器需提高20 dB的增益。因此，將AMP2的閉環增益設置為(wei) 20 dB會(hui) 迫使AMP1的有效閉環增益同樣達到20 dB。采用這種增益配置，兩(liang) 個(ge) 放大器在開環曲線上的工作點均低於(yu) 任何一個(ge) 在40 dB增益時的工作點。因此，與(yu) 同樣增益的單個(ge) 放大器解決(jue) 方案相比，複合放大器在增益為(wei) 40 dB時將具有更高的帶寬。

雖然看似相對簡單且易於(yu) 實現，但在設計複合放大器時應采取適當的措施來獲得盡可能高的帶寬，同時不能犧牲組合的穩定性。在實際應用中，放大器有非理想特性，而且可能不完全相同，這就要求使用適當的增益配置來保持穩定性。另外應注意，複合增益將以-40 dB/十倍頻程的速度滾降，因此在兩(liang) 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(liang) 個(ge) 放大器之間均等分配增益，AMP2的GBWP必須始終大於(yu) 或等於(yu) 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(yu) AMP2 GBWP的情況下，在兩(liang) 個(ge) 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(hui) 導致AMP1的有效增益提高。結果是AMP1閉環帶寬降低，因為(wei) 其在開環曲線上的工作點提高，而AMP2閉環帶寬提高，因為(wei) 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(hui) 恢複。

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

同放大器組合的帶寬擴展，增益為(wei) 10，V_OUT = 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(hui) 被反饋到反相輸入。輸出端存在的誤差（環路中產(chan) 生）乘以反饋因子(β)，然後予以扣除。這有助於(yu) 保持輸出相對於(yu) 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(yu) 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(nei) 。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(ge) 由兩(liang) 個(ge) 理想運算放大器組成的複合放大器。複合增益為(wei) 100，AMP2增益設置為(wei) 5。V_OS1表示AMP1的50μV失調電壓，而V_OS2表示AMP2的可變失調電壓。圖12顯示，當V_OS2從(cong) 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(jin) 與(yu) AMP1的誤差（50μV乘以複合增益100）成比例，並且無論V_OS2的值是多少，它都保持在5 mV。如果沒有複合環路，我們(men) 預計輸出誤差會(hui) 高達500 mV。

圖11.失調誤差貢獻

圖12.複合輸出失調與(yu) V_OS2的關(guan) 係

表2.增益為(wei) 100時的輸出失調電壓

噪聲和失真

複合放大器的輸出噪聲和諧波失真以與(yu) 直流誤差類似的方式進行校正，但對於(yu) 交流參數，兩(liang) 級的帶寬也會(hui) 起作用。我們(men) 將舉(ju) 一個(ge) 例子，使用輸出噪聲來說明這一點；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(hui) 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，那麽(me) 在相同頻率處將產(chan) 生噪聲峰值。

圖13.複合放大器的噪聲源

圖14.噪聲性能與(yu) 第一級帶寬的關(guan) 係

對於(yu) 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(wei) 100 (40 dB)，AMP2增益為(wei) 5 (14 dB)，則AMP1的有效增益將為(wei) 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(wei) 主（1 nV/√HZ乘以100的複合增益等於(yu) 100 nV/√HZ）。隻要AMP1有足夠的帶寬來補償(chang) AMP2，這種情況就會(hui) 持續下去。

若AMP1帶寬小於(yu) 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(liang) 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(yu) 頻率響應峰化引起過大增益，噪聲峰值的幅度也會(hui) 更高。

表3和表4分別顯示了使用不同精密放大器作為(wei) 第一級與(yu) 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，I_LOAD = 200 mA

係統級應用

在此示例中，DAC輸出緩衝(chong) 器應用的目標是為(wei) 低阻抗探針提供10 V p-p的輸出，電流為(wei) 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(wei) 電壓，然後轉換為(wei) 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。

圖15.DAC輸出驅動器的應用電路

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(yu) 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V_OUT和I_OUT

表5.AD8599+AD8397複合放大器規格

此配置不限於(yu) 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) 放大器結合成複合放大器，可實現每個(ge) 放大器的最佳規格，同時彌補各自的局限性。具有高輸出驅動能力的放大器與(yu) 精密前端放大器相結合，可為(wei) 非常棘手的應用提供解決(jue) 方案。設計時務必考慮穩定性、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。

致謝

Zoltan Frasch和Bruce Petipas為(wei) 本文做出了技術貢獻，作者對此表示感謝。

作者簡介

Jino Loquinario 2014年加入ADI公司，目前擔任線性產(chan) 品與(yu) 解決(jue) 方案部門的產(chan) 品應用工程師。他畢業(ye) 於(yu) 菲律賓科技大學米沙鄢分校，獲電子工程學士學位。