复合放大器：高精度的高输出驱动能力

面对似乎不存在解决方案的应用程序是正常的，几乎是意料之中的。为了满足他们的要求，我们需要考虑一种超越市场现有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随处可见，事实上，其中许多都是如此。但是，单个放大器可能不存在所有要求。当面对这个问题时，有些人会认为我们不可能满足此类应用的需求，我们必须满足于平庸的解决方案，并使用精密放大器或高速放大器，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

复合放大器是两个独立放大器的排列方式，其配置方式是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，那么同相运算放大器的增益为1 + R1/R2。揭示三角形内的复合配置不会改变任何东西——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，表明复合增益的变化，但事实并非如此。通过R3和R4增加AMP2附近的增益只会降低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.复合放大器被视为单个放大器。

本文将讨论实现复合放大器配置时的主要优点和设计考虑因素。将重点介绍对带宽、直流精度、噪声和失真的影响。

带宽扩展

与配置相同增益的单个放大器相比，实现复合放大器的主要优点之一是带宽更大。

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。 将它们组合在一起将增加组合的有效GBWP。在单位增益下，复合放大器提供~27%的–3 dB带宽，尽管峰值量很小。然而，在更高的收益下，这种好处变得更加明显。

图3.单位增益下的复合放大器。

图4.单位增益时带宽改善 –3 dB。

图5所示为增益为10的复合放大器。注意，通过R1和R2将复合增益设置为10。AMP2周围的增益设置为约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可产生最大可能的带宽。

图5.复合放大器配置为增益 = 10。

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，复合的带宽增加了~300%。这怎么可能？

图6.增益 = 10 时带宽提高 –3 dB。

有关具体示例，请参阅图 7 和图 8。我们要求系统增益为40 dB，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.增益分离以获得最大带宽。

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也会强制AMP1的有效闭环增益为20 dB。在这种增益配置下，两个放大器在开环曲线上的工作频率低于任何一个放大器在40 dB增益下的工作频率。因此，与相同增益的单放大器解决方案相比，该复合器件在增益为40 dB时将具有更高的带宽。

虽然这听起来相对简单且易于实现，但在设计复合放大器时应适当小心，使其具有尽可能高的带宽，同时又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。另外，请注意，复合增益将以–40 dB/十倍频程的速度滚降，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。此时，两个放大器之间增益的均匀分布要求AMP2的GBWP必须始终大于或等于AMP1的GBWP，否则将导致峰值和可能的不稳定。在AMP1 GBWP必须大于AMP2 GBWP的情况下，通常可以通过在两个放大器之间重新分配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的较高工作而降低，而AMP2闭环带宽随着其在开环曲线上的较低工作而增加。如果充分应用AMP1的减慢和AMP2的加速，复合组合的稳定性将得到恢复。

本文选择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是一款高输出电流放大器，能够提供310 mA电流。

 

放大器	单功放带宽 （千赫）	复合放大器带宽 （千赫）	% BW 扩展
ADA4091	30	94	213
AD8676	165	517	213
AD8599	628	2674	325

 

保持直流精度

图9.运算放大器反馈环路。

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。在环路中产生的输出误差乘以反馈因子（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的较大反馈回路内。输出现在包含由于 A2 引起的较大误差，这些误差将反馈给 A1 并进行校正。较大的校正信号可保留A1的精度。

该复合反馈环路的效果在电路中可以清楚地看到，结果如图11和图12所示。图11所示为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操作系统1表示AMP1的50 μV失调电压，而V操作系统2表示AMP2的可变失调电压。图 12 显示，作为 V操作系统2从0 mV扫描至100 mV，输出失调不受AMP2贡献的误差幅度（失调）的影响。相反，输出失调仅与AMP1的误差（50 μV乘以复合增益100）成正比，并且无论V值如何，均保持在5 mV操作系统2. 如果没有复合环路，预计输出误差将高达500 mV。

图 11.偏移误差贡献。

图 12.复合输出失调与 V 的关系操作系统2.

 

放大器	有效 V操作系统（毫伏）	V操作系统减速（复合配置）
AD8397	100
AD8397 + ADA4091	3.5	28.6×
AD8397 + AD8676	1.2	83.3×
AD8397 + AD8599	1	100×

 

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，但是，在交流参数的情况下，两级的带宽也会发挥作用。我们将看一个使用输出噪声的例子来说明这一点，并理解失真消除以大致相同的方式发生。

参考图13中的示例电路，只要第一级（AMP1）具有足够的带宽，它就会校正第二级（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的带宽过多，并且频率响应中存在峰值，则会在相同频率下产生噪声峰值。

图 13.复合放大器的噪声源。

在本例中，图13中的电阻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带宽的频率响应以及单个固定带宽下AMP2的频率响应。回想一下增益分割部分，100 （40 dB） 的复合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益将强制有效 AMP1 增益为 20 （26 dB），如下所示。

下图显示了每种情况下的宽带输出噪声密度。在低频下，输出噪声密度以AMP1为主（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带宽低于AMP2的情况，随着AMP1带宽开始滚动，噪声密度将开始由AMP2主导。这可以从图14的两条迹线中看到，当噪声攀升至200 nV/√Hz（40 nV/√Hz乘以AMP2增益5）时。最后，如果AMP1的带宽比AMP2大得多，导致频率响应出现峰值，则复合放大器在相同频率下将出现噪声峰值，如图14所示。由于频率响应峰值导致增益过大，噪声峰值的幅度也会更高。

图 14.噪声性能与第 1 级带宽的关系。

表3和表4显示了在AD8397复合放大器中使用各种精密放大器作为第一级时的有效降噪和THD+n改善。

 

配置	噪声，en（nV/√Hz）	有效降噪 （%）
仅AD8397	450
AD8397 + ADA4084	390	13.33
AD8397 + AD8676	280	37.78
AD8397 + AD8599	107	76.22

配置	有效谐波衰减+n（分贝）	THD+n 改善 （dB）
仅AD8397	–100.22
AD8397 + ADA4084	–105.32	5.10
AD8397 + AD8676	–106.68	6.46
AD8397 + AD8599	–106.21	5.99

 

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 p-p的输出，电流为500 mA p-p，噪声和失真低，具有出色的直流精度，并具有尽可能高的带宽。4 mA至20 mA电流输出DAC的输出由TIA转换为电压，然后转换为复合放大器的输入以进行更大放大。当AD8397在输出端时，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）配合使用，以满足应用所需的出色直流要求和高输出能力驱动。

图 16.V外和我外适用于AD8599和AD8397复合放大器。

 

参数	价值
获得	10 V/V
–3 dB 带宽	1.27兆赫
输出电压	10 V 峰峰值
输出电流	500 毫安峰峰值
输出失调电压	102.5 μV
电压噪声 （f = 1 kHz）	20.95 nV/√Hz
THD+n （f = 1 kHz）	–106.14 分贝

 

这种配置不仅限于AD8397和AD8599，还可以与其他放大器组合配合使用，以满足这种需要出色直流精度的输出驱动规格。表6和表7中的放大器也适用于此应用。

 

高输出电流放大器	电流驱动器 （A）	压摆率	VS跨度，最大 （V）
ADA4870	1	2.5 千伏/微秒	40
LT6301	1.2	600 V/μs	27
LT1210	2	900 V/μs	36

精密放大器	V操作系统 (μV)	V噪声， en（nV/√Hz）	总谐波失真+n，1 kHz （分贝）
LT6018	50	1.2	–115
ADA4625	80	3.3	–110
ADA4084	100	3.9	–90

 

结论

使用复合放大器，两个放大器的结合实现了每个放大器提供的最佳规格，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，可以为具有挑战性要求的应用提供解决方案。设计时，请始终考虑稳定性、噪声峰值、带宽和压摆率，以获得最佳性能。有很多可能的选择来满足广泛的应用。通过适当的实施和组合，为应用程序取得适当的平衡是高度可以实现的。

审核编辑：郭婷