复合放大器的高精度的高输出驱动能力

介绍

面对似乎不存在解决方案的应用程序是正常的，并且几乎可以预料。为了满足他们的要求，我们需要考虑一种超越市场提供的当前产品性能的解决方案。例如，应用可能需要具有高输出驱动能力的高速、高电压放大器，但也可能需要出色的直流精度、低噪声、低失真等。

满足速度和输出电压/电流要求的放大器以及具有出色直流精度的放大器在市场上很容易买到——事实上，其中有很多。但是，所有要求可能并不存在于单个放大器中。面对这个问题，有些人会认为我们无法满足此类应用的需求，我们必须满足于平庸的解决方案，要么选择精密放大器，要么选择高速放大器，也许会牺牲一些要求。

幸运的是，这并不完全正确。有一个复合放大器形式的解决方案，本文将展示它是如何实现的。

复合放大器

复合放大器是由两个单独的放大器组成的装置，其配置方式可以实现每个单独放大器的优点，同时减少每个放大器的缺点。

图 1. 简单的复合放大器配置。

参考图 1，AMP1 应具有出色的直流精度以及应用所需的噪声和失真性能。AMP2 应提供输出驱动要求。在这种布置中，具有所需输出规格的放大器 （AMP2） 放置在具有所需输入规格的放大器 （AMP1） 的反馈环路内。将讨论这种安排的一些技术和好处。

设置增益

最初遇到复合放大器时，可能会出现的第一个问题是如何设置增益。为了解决这个问题，将复合放大器视为包含在大三角形内的单个同相运算放大器是有帮助的，如图 2 所示。如果我们想象三角形被涂黑以至于我们看不到里面的东西，那么增益同相运算放大器的 1 + R1/R2。揭示三角形内部的复合配置并没有改变任何东西——整个事物的增益仍然由 R1 和 R2 的比率控制。

在这种配置中，很容易认为通过 R3 和 R4 改变 AMP2 的增益会影响 AMP2 的输出电平，表明复合增益发生了变化，但事实并非如此。通过 R3 和 R4 增加 AMP2 周围的增益只会降低 AMP1 的有效增益和输出电平，从而使复合输出（AMP2 输出）保持不变。或者，降低 AMP2 周围的增益将有助于增加 AMP1 的有效增益。因此，一般来说，复合放大器的增益仅取决于 R1 和 R2。

图 2. 被视为单个放大器的复合放大器。

本文将讨论实现复合放大器配置时的主要优势和设计注意事项。将重点介绍对带宽、直流精度、噪声和失真的影响。

带宽扩展

与配置有相同增益的单个放大器相比，实现复合放大器的主要好处之一是带宽扩展。

参考图 3 和图 4，假设我们有两个独立的放大器，每个放大器的增益带宽积 （GBWP） 为 100 MHz。将它们放在一个复合配置中将增加组合的有效 GBWP。在单位增益下，复合放大器提供了约 27% 的 –3 dB 带宽，尽管有少量的峰值。然而，在更高的增益下，这种好处变得更加明显。

图 3. 单位增益的复合放大器。

图 4. 单位增益下 –3 dB BW 改进。

图 5 显示了增益为 10 的复合放大器。请注意，复合增益通过 R1 和 R2 设置为 10。AMP2 周围的增益设置为大约 3.16，迫使 AMP1 的有效增益相同。在两个放大器之间平均分配增益会产生最大可能的带宽。

图 5. 配置为增益 = 10 的复合放大器。

图 6 显示了增益为 10 的单个放大器与配置相同增益的复合放大器相比的频率响应。在这种情况下，复合材料的 –3 dB 带宽增加了约 300%。这怎么可能？

图 6. 增益 = 10 时 –3 dB BW 改进。

具体示例请参见图 7 和图 8。我们需要 40 dB 的系统增益并将使用两个相同的放大器，每个放大器的开环增益为 80 dB，GBWP 为 100 MHz。

图 7. 最大带宽的增益分配。

图 8. 单个放大器的预期响应。

为了实现组合的最高带宽，我们将在两个放大器之间平均分配所需的系统增益，使每个放大器的增益为 20 dB。因此，将 AMP2 的闭环增益设置为 20 dB 会强制将 AMP1 的有效闭环增益也设置为 20 dB。使用这种增益配置，两个放大器在开环曲线上的运行都低于它们中的任何一个在 40 dB 增益下的运行。因此，与具有相同增益的单放大器解决方案相比，复合材料在 40 dB 的增益下将具有更高的带宽。

尽管这听起来相对简单且易于实现，但在设计复合放大器时应小心谨慎，使其具有尽可能高的带宽，同时不牺牲组合的稳定性。在放大器不理想且可能不相同的实际应用中，必须确保适当的增益布置以保持稳定性。此外，请注意，复合增益将以 –40 dB/十倍频滚降，因此在两级之间分配增益时必须小心。

在某些情况下，可能无法平均分配增益。在这一点上，两个放大器之间增益的平均分配要求 AMP2 的 GBWP 必须始终大于或等于 AMP1 的 GBWP，否则会导致峰值（甚至可能不稳定）。在 AMP1 GBWP 必须大于 AMP2 GBWP 的情况下，通常可以通过重新分配两个放大器之间的增益来纠正不稳定性。在这种情况下，降低 AMP2 的增益会导致 AMP1 的有效增益增加。结果是 AMP1 闭环带宽随着其在开环曲线上运行得较高而降低，而 AMP2 闭环带宽随着其在开环曲线上运行得较低而增加。如果充分应用这种 AMP1 的减速和 AMP2 的加速，复合组合的稳定性就会恢复。

在本文中，选择 AD8397 作为输出级 （AMP2），与 AMP1 的各种精密放大器接口，以展示复合放大器的优势。AD8397 是一款能够提供 310 mA 电流的高输出电流放大器。

保持直流精度

图 9. 运算放大器反馈回路。

在典型的运算放大器电路中，一部分输出被反馈到反相输入。输出中出现的误差（在循环中生成）乘以反馈因子 （β） 并减去。这有助于保持输出相对于输入乘以闭环增益 （A） 的保真度。

图 10. 复合放大器反馈回路。

对于复合放大器，放大器 A2 有自己的反馈回路，但 A2 及其反馈回路都在 A1 较大的反馈回路内。输出现在包含由于 A2 导致的较大误差，这些误差被反馈到 A1 并被纠正。较大的校正信号导致 A1 的精度得以保留。

在电路中可以清楚地看到这种复合反馈环路的效果，结果如图 11 和图 12 所示。图 11 显示了由两个理想运算放大器组成的复合放大器。复合增益为 100，AMP2 增益设置为 5。V OS 1 表示 AMP1 的 50 µV 偏移电压，而 V OS 2 表示 AMP2 的可变偏移电压。图 12 显示，当 V OS 2 从 0 mV 扫描到 100 mV 时，输出偏移不受 AMP2 贡献的误差（偏移）幅度的影响。相反，输出偏移仅与 AMP1 的误差（50 µV 乘以 100 的复合增益）成比例，并且无论 V OS的值如何都保持在 5 mV2. 如果没有复合环路，我们预计输出误差会增加高达 500 mV。

图 11. 偏移误差贡献。

图 12. 复合输出偏移与 V OS 2。

噪声和失真

复合放大器的输出噪声和谐波失真以与直流误差类似的方式进行校正，但在交流参数的情况下，两级的带宽也起作用。我们将看一个使用输出噪声的示例来说明这一点，并理解失真消除以几乎相同的方式发生。

参考图 13 中的示例电路，只要第一级 （AMP1） 有足够的带宽，它将校正第二级 （AMP2） 的较大噪声。随着 AMP1 开始耗尽带宽，来自 AMP2 的噪声将开始占主导地位。但是，如果 AMP1 的带宽过大，并且频率响应中存在峰值，则会在相同频率处感应出噪声峰值。

图 13. 复合放大器的噪声源。

图 14. 噪声性能与阶段 1 带宽。

对于此示例，图 13 中的电阻器 R5 和 R6 分别代表 AMP1 和 AMP2 的固有噪声源。图 14 的上图显示了各种 AMP1 带宽以及 AMP2 在单个固定带宽下的频率响应。回想一下关于增益分离的部分，100 （40 dB） 的复合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益将强制 AMP1 的有效增益为 20 （26 dB），如此处所示。

下图显示了每种情况下的宽带输出噪声密度。在低频下，输出噪声密度主要由 AMP1 决定（1 nV/√Hz 乘以 100 的复合增益等于 100 nV/√Hz）。只要 AMP1 有足够的带宽来补偿 AMP2，这种情况就会持续下去。

对于 AMP1 的带宽小于 AMP2 的情况，噪声密度将开始由 AMP2 主导，因为 AMP1 的带宽开始下降。当噪声攀升至 200 nV/√Hz（40 nV/√Hz 乘以 AMP2 增益 5）时，可以在图 14 的两条迹线中看到这一点。最后，在 AMP1 的带宽比 AMP2 大得多的情况下，导致频率响应出现峰值，复合放大器将在相同频率处出现噪声峰值，如图 14 所示。由于频率响应峰值导致过增益，噪声峰值的幅度也会更高。

表 3 和表 4 显示了使用各种精密放大器作为 AD8397 复合放大器的第一级时的有效降噪和 THD+n 改进。

 

系统级应用

图 15. DAC 输出驱动器的应用电路。

在本例中，DAC 输出缓冲器应用的目标是向低阻抗探头提供 10 V pp 的输出，电流为 500 mA pp，噪声和失真低，直流精度出色，带宽高达可能的。4 mA 至 20 mA 电流输出 DAC 的输出将由 TIA 转换为电压，然后到复合放大器的输入以进行更多放大。使用输出端的 AD8397，可以达到输出要求。AD8397 是一款轨到轨、高输出电流放大器，能够提供所需的输出电流。

AMP1 可以是任何具有配置要求所需的直流精度的精密放大器。在此应用中，各种前端精密放大器可与 AD8397（和其他高输出电流放大器）一起使用，以同时满足应用所需的出色直流要求和高输出能力驱动。

图 16. AD8599 和 AD8397 复合放大器的 V OUT和 I OUT。

这种配置不仅限于 AD8397 和 AD8599，还可以与放大器的其他组合一起满足这种需要出色直流精度的输出驱动规范。表 6 和表 7 中的放大器也适用于该应用。

 

结论

使用复合放大器，两个放大器的结合实现了各自提供的最佳规格，同时弥补了它们的局限性。具有高输出驱动能力的放大器与精密前端放大器相结合，可为具有挑战性要求的应用提供解决方案。设计时，始终考虑稳定性、噪声峰值、带宽和压摆率以获得最佳性能。有很多可能的选择可以满足广泛的应用需求。通过正确的实施和组合，可以高度实现应用程序的正确平衡。

关于作者

Jino Loquinario 于 2014 年加入ADI，担任线性产品和解决方案集团的产品应用工程师。他毕业于菲律宾维萨亚斯科技大学，获得电子工程学士学位。

审核编辑：郭婷