運(yùn)算放大器如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高輸出功率

工程師常常面對各種挑戰(zhàn),需要不斷開發(fā)新應(yīng)用,以滿足廣泛的需求。一般來說,這些需求很難同時(shí)滿足。例如一款高速、高壓運(yùn)算放大器(運(yùn)放),同時(shí)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(yùn)算放大器。但是,您可以使用兩個(gè)單獨(dú)的放大器來構(gòu)建這種放大器,形成復(fù)合放大器。將兩個(gè)運(yùn)算放大器組合在一起,就能將各自的優(yōu)勢特性集成于一體。這樣,與具有相同增益的單個(gè)放大器相比,兩個(gè)運(yùn)算放大器組合可以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器由兩個(gè)單獨(dú)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(jié)構(gòu)。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(qū)動(dòng)其他模塊。

圖1． 兩個(gè)運(yùn)算放大器串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合放大器的示意圖

圖1所示的復(fù)合放大器的配置與同相放大器的配置類似,后者具有兩個(gè)外部操作電阻R1和R2。將兩個(gè)串聯(lián)在一起的運(yùn)算放大器看作一個(gè)放大器?？傇鲆?G)通過電阻比設(shè)置,G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發(fā)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(kuò)展

復(fù)合放大器的另一個(gè)特性是具備更高帶寬。相比單個(gè)放大器,復(fù)合放大器的帶寬更高。所以,如果使用兩個(gè)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(dá)到特定限值。一旦超過限值,可能會不穩(wěn)定。兩個(gè)增益分布不均時(shí),也會出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來說,在兩個(gè)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(shí),兩個(gè)放大器組合的–3 dB帶寬可以達(dá)到單個(gè)放大器的3倍。

這種說明相對簡單。增益均勻分布時(shí),G2也會獲得與放大器1相同的有效增益。但是,每個(gè)獨(dú)立放大器的開環(huán)增益更高。增益較低時(shí),例如,從40 dB降至20db時(shí),兩個(gè)放大器都會在開環(huán)曲 線的低區(qū)域內(nèi)運(yùn)行(參見圖2)。如此,與具有同樣增益的單個(gè)放大器相比,復(fù)合放大器可獲得更高帶寬。

圖2． 通過復(fù)合放大器擴(kuò)展帶寬

直流精度和噪聲

在典型運(yùn)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(dú)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(chǎn)生更大誤差,但在反饋給放大器1時(shí),會修正這種誤差。因此,可以保持放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第一個(gè)放大器的輸入失調(diào)誤差成正比,與第二個(gè)放大器的失調(diào)電壓無關(guān)。

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(gè)放大器級的帶寬預(yù)留相關(guān)。只要第一個(gè)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(dǎo)地位。但是,如果超過了放大器1的帶寬,那么第二個(gè)放大器的噪聲分量開始占主導(dǎo)。如果放大器1的帶寬過高,或者遠(yuǎn)高于放大器2的帶寬,就會產(chǎn)生問題。這可能導(dǎo)致復(fù)合放大器的輸出中出現(xiàn)額外的噪聲峰值。

結(jié)論

通過將兩個(gè)放大器串聯(lián)在一起,可以將兩者的出色特性相結(jié)合,從而獲得使用單個(gè)運(yùn)算放大器無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。例如,可以實(shí)現(xiàn)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(gè)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(shè)計(jì)中,還必須通過修正放大器配置來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果考慮所有標(biāo)準(zhǔn),復(fù)合放大器也可能適用于各種要求嚴(yán)苛的廣泛應(yīng)用。