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工程师经常面临开发应用程序以满足各种要求的挑战。通常,这些要求很难同时满足。一个例子是找到一种非常快速的高压运算放大器(op amp),它具有高输出功率,并且在直流精度、噪声和失真方面具有同样出色的特性。兼具所有这些特性的运算放大器在市场上很少见。但是,可以从两个单独的放大器中自己构建这样的放大器,从而创建一个复合放大器。当组合两个运算放大器时,可以结合每个运算放大器的正特性。这样,在相同增益下,与单个放大器相比,可以实现更高的带宽。
复合放大器
复合放大器由两个单独的放大器组成,通常具有不同的特性。这种安排如图1所示。放大器1代表低噪声精密放大器ADA4091-2。放大器2(在本例中为AD8397)具有高输出功率,用于驱动其他模块。
图1.两个运算放大器串联起来形成复合放大器的示意图。
图1所示复合放大器的配置类似于同相放大器的配置,其中两个电阻R1和R2在外部起作用。串联的两个运算放大器应被视为单个放大器。总增益 (G) 通过电阻比 G = 1 + R1/R2 设置。R3与R4之比的变化(实际上,放大器2(G2)的增益)也会影响放大器1(G1)的增益或输出电平。有效总增益不会因R3和R4而改变。如果 G2 降低,G1 增加。
带宽扩展
复合放大器的另一个特点是带宽更高。这种组合的带宽高于每个单独的放大器。因此,如果使用两个相同的放大器,增益带宽积(GBWP)为100 MHz,增益G = 1,则可以实现大约27%的–3 dB带宽。随着增益的增加,这种效果变得更加明显,但仅限于一定的限制。一旦超过限制,可能会出现不稳定。这也适用于两种收益分配不均的情况。通常,最大带宽是在两个放大器上平均分配增益时产生的。使用上述值(GBWP = 100 MHz,G2 = 3.16,G = 10),增益为10时,可以实现–3 dB带宽,其带宽约为单个放大器的300%。
解释相对简单。在均匀分布增益的情况下,G2也导致放大器1的有效增益相同。但是,每个放大器的开环增益要高得多。增益降低后(例如,从40 dB降至20 dB),两个放大器现在都作用在开环曲线的较低区域(见图2)。这样,在相同增益下,复合放大器产生的带宽高于单个放大器。
图2.通过复合放大器扩展带宽。
直流精度和噪声
在典型的运算放大器电路中,部分输出被反馈到反相输入。通过这种方式,可以通过反馈路径校正输出误差,以提高精度。图1所示的组合也为放大器2提供了单独的反馈路径,尽管它位于放大器1的反馈路径中。由于放大器2,整体布置的输出包含较大的误差,但当它们反馈到放大器1时,这些误差将被校正。因此,放大器1的精度得以保留。输出失调仅与第一个放大器的误差成比例,与第二个放大器的失调无关。
这同样适用于噪声分量。它还通过反馈进行校正,其中交流信号也取决于两个放大器级的带宽储备。只要第一放大器级具有足够的带宽,它就可以校正放大器2的噪声成分。到目前为止,其输出电压噪声密度占主导地位。但是,如果超过放大器1的带宽,则第二个放大器的噪声分量开始占主导地位。如果放大器1的带宽过高或远高于放大器2的带宽,就会出现问题。这可能导致额外的噪声峰值,可以在复合放大器的输出端看到。
结论
通过两个串联的放大器的组合,可以结合两者的最佳特性,同时实现单个运算放大器无法实现的结果。例如,可以实现具有高输出功率和更高带宽的高精度放大器。图1所示电路示例包括轨到轨放大器AD8397(–3 dB带宽= 69 MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3 dB带宽= 1.2 MHz),两者组合的带宽是各自带宽(G = 10时)的两倍多。此外,通过结合AD8397和各种精密放大器,可以实现降噪和THD改善。但是,在设计中,还必须通过正确的放大器配置来确保系统稳定性。如果考虑所有标准,复合放大器为涵盖非常广泛和苛刻的应用范围提供了多种可能性。
审核编辑:郭婷
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