復合放大器：高精度的高輸出驅動(dòng)能力

簡(jiǎn)介

要開(kāi)發(fā)的應用似乎不存在解決方案是很正常的，甚至幾乎是情理之中的。為了滿(mǎn)足應用要求，我們需要想出一種超出市場(chǎng)上現有產(chǎn)品性能的解決方案。例如，應用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅動(dòng)能力的放大器，同時(shí)還可能要求出色的直流精度、低噪聲、低失真等。

滿(mǎn)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(chǎng)上很容易獲得，事實(shí)上很多都是如此。但是，所有這些要求可能無(wú)法通過(guò)單個(gè)放大器來(lái)滿(mǎn)足。當遇到這樣的問(wèn)題時(shí)，有些人會(huì )認為我們不可能滿(mǎn)足此類(lèi)應用的要求，我們必須滿(mǎn)足于平庸的解決方案，要么選用精密放大器，要么選用高速放大器，可能要犧牲一些要求。幸運的是，這并非全然正確。對此，有一種解決方案是采用復合放大器，本文將說(shuō)明它是如何實(shí)現的。

復合放大器

復合放大器由兩個(gè)獨立的放大器組成，其配置方式使得人們既能實(shí)現每個(gè)放大器的優(yōu)點(diǎn)，又能削弱每個(gè)放大器的缺點(diǎn)。

圖1.簡(jiǎn)單復合放大器配置

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(mǎn)足輸出驅動(dòng)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(huán)路中。下面將討論這種配置涉及的一些技術(shù)及其益處。

設置增益

初遇復合放大器時(shí)，第一個(gè)問(wèn)題可能是如何設置增益。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將復合放大器視為包含在大三角形內的單個(gè)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，我們無(wú)法看清里面的東西，那么同相運算放大器的增益就是1 + R1/R2。揭開(kāi)大三角形內部的復合配置并沒(méi)有改變任何東西，整個(gè)電路的增益仍然由R1和R2的比率控制。

在這種配置中，人們很容易認為通過(guò)R3和R4改變AMP2的增益會(huì )影響AMP2的輸出電平，表明復合增益會(huì )發(fā)生變化，但事實(shí)并非如此。通過(guò)R3和R4提高AMP2周?chē)脑鲆嬷粫?huì )降低AMP1的有效增益和輸出電平，而復合輸出（AMP2輸出）保持不變?；蛘?，降低AMP2周?chē)脑鲆鎸?huì )提高AMP1的有效增益。因此，復合放大器的增益一般僅取決于R1和R2。

圖2.復合放大器被視為單個(gè)放大器

本文將討論實(shí)現復合放大器配置的主要優(yōu)點(diǎn)和設計考慮因素。本文將重點(diǎn)說(shuō)明其對帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴展

與配置為相同增益的單個(gè)放大器相比，實(shí)現復合放大器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是帶寬更寬。

參考圖3和圖4，假設我們有兩個(gè)獨立的放大器，每個(gè)放大器的增益帶寬積(GBWP)為100 MHz。將它們組合成一個(gè)復合配置，整個(gè)組合的有效GBWP將會(huì )增加。在單位增益時(shí)，復合放大器的-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(yōu)勢變得越發(fā)明顯。

圖3.單位增益復合放大器

圖4.單位增益時(shí)的-3 dB帶寬改善情況

圖5顯示了增益為10的復合放大器。請注意，復合增益通過(guò)R1和R2設置為10。AMP2周?chē)脑鲆嬖O置為約3.16，迫使AMP1的有效增益與此相同。在兩個(gè)放大器之間平均分配增益可以產(chǎn)生最大可能的帶寬。

圖5.復合放大器的增益配置為10

圖6比較了增益為10的單個(gè)放大器的頻率響應與配置為同樣增益的復合放大器的頻率響應。在這種情況下，復合放大器的-3 dB帶寬高出約300%。這怎么可能？

圖6.增益為10時(shí)的-3 dB帶寬改善情況

有關(guān)具體示例，請參閱圖7和圖8。我們要求系統增益為40 dB，使用兩個(gè)相同的放大器，每個(gè)放大器的開(kāi)環(huán)增益為80 dB，GBWP為100 MHz。

圖7.分配增益以獲得最大帶寬

圖8.單個(gè)放大器的預期響應

為使組合實(shí)現最高可能帶寬，我們將在兩個(gè)放大器之間平均分配所需的系統增益，每個(gè)放大器需提高20 dB的增益。因此，將AMP2的閉環(huán)增益設置為20 dB會(huì )迫使AMP1的有效閉環(huán)增益同樣達到20 dB。采用這種增益配置，兩個(gè)放大器在開(kāi)環(huán)曲線(xiàn)上的工作點(diǎn)均低于任何一個(gè)在40 dB增益時(shí)的工作點(diǎn)。因此，與同樣增益的單個(gè)放大器解決方案相比，復合放大器在增益為40 dB時(shí)將具有更高的帶寬。

雖然看似相對簡(jiǎn)單且易于實(shí)現，但在設計復合放大器時(shí)應采取適當的措施來(lái)獲得盡可能高的帶寬，同時(shí)不能犧牲組合的穩定性。在實(shí)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(lái)保持穩定性。另外應注意，復合增益將以-40 dB/十倍頻程的速度滾降，因此在兩級之間分配增益時(shí)必須小心。

在某些情況下，平均分配增益可能無(wú)法做到。就此而言，要在兩個(gè)放大器之間均等分配增益，AMP2的GBWP必須始終大于或等于A(yíng)MP1的GBWP，否則將導致峰化，并且可能導致電路不穩定。在A(yíng)MP1 GBWP必須大于A(yíng)MP2 GBWP的情況下，在兩個(gè)放大器之間重新分配增益通?？梢孕Ｕ环€定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會(huì )導致AMP1的有效增益提高。結果是AMP1閉環(huán)帶寬降低，因為其在開(kāi)環(huán)曲線(xiàn)上的工作點(diǎn)提高，而AMP2閉環(huán)帶寬提高，因為其在開(kāi)環(huán)曲線(xiàn)上的工作點(diǎn)降低。如果充分應用AMP1的減速和AMP2的加速，復合放大器的穩定性就會(huì )恢復。

本文選用AD8397作為輸出級(AMP2)，與各種精度的放大器AMP1連接以展示復合放大器的優(yōu)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10，V_OUT = 10 V p-p

保持直流精度

圖9.運算放大器反饋環(huán)路

在典型運算放大器電路中，輸出的一部分會(huì )被反饋到反相輸入。輸出端存在的誤差（環(huán)路中產(chǎn)生）乘以反饋因子(β)，然后予以扣除。這有助于保持輸出相對于輸入乘以閉環(huán)增益(A)的保真度。

圖10.復合放大器反饋環(huán)路

對于復合放大器，放大器A2有自己的反饋環(huán)路，但A2及其反饋環(huán)路都在A(yíng)1的較大反饋環(huán)路內。輸出現在包含A2引起的較大誤差，這些誤差被反饋到A1并進(jìn)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復合反饋環(huán)路的影響。圖11顯示了一個(gè)由兩個(gè)理想運算放大器組成的復合放大器。復合增益為100，AMP2增益設置為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0 mV掃描到100 mV時(shí)，輸出失調不受AMP2貢獻的誤差（失調）幅度的影響。相反，輸出失調僅與AMP1的誤差（50μV乘以復合增益100）成比例，并且無(wú)論V_OS2的值是多少，它都保持在5 mV。如果沒(méi)有復合環(huán)路，我們預計輸出誤差會(huì )高達500 mV。

圖11.失調誤差貢獻

圖12.復合輸出失調與V_OS2的關(guān)系

表2.增益為100時(shí)的輸出失調電壓

噪聲和失真

復合放大器的輸出噪聲和諧波失真以與直流誤差類(lèi)似的方式進(jìn)行校正，但對于交流參數，兩級的帶寬也會(huì )起作用。我們將舉一個(gè)例子，使用輸出噪聲來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)；同時(shí)應理解，失真消除方式大致相同。

參考圖13所示電路，只要第一級(AMP1)有足夠的帶寬，它就會(huì )校正第二級(AMP2)的較大噪聲。當AMP1的帶寬開(kāi)始耗盡時(shí)，來(lái)自AMP2的噪聲將開(kāi)始占主導地位。但是，如果AMP1帶寬過(guò)多，并且頻率響應中存在峰化，那么在相同頻率處將產(chǎn)生噪聲峰值。

圖13.復合放大器的噪聲源

圖14.噪聲性能與第一級帶寬的關(guān)系

對于此例，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(xiàn)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?；貞浽鲆娣峙洳糠?，若復合增益為100 (40 dB)，AMP2增益為5 (14 dB)，則AMP1的有效增益將為20 (26 dB)，如此處所示。

下部曲線(xiàn)顯示了每種情況的寬帶輸出噪聲密度。在低頻時(shí)，輸出噪聲密度以AMP1為主（1 nV/√HZ乘以100的復合增益等于100 nV/√HZ）。只要AMP1有足夠的帶寬來(lái)補償AMP2，這種情況就會(huì )持續下去。

若AMP1帶寬小于A(yíng)MP2帶寬，當AMP1帶寬開(kāi)始滾降時(shí)，噪聲密度將開(kāi)始由AMP2主導。這可以在圖14的兩條跡線(xiàn)中看到，噪聲上升至200 nV/√HZ（40 nV/√HZ乘以AMP2的增益5）。最后，若AMP1具有比AMP2大得多的帶寬，導致頻率響應出現峰化，則復合放大器將在相同頻率處呈現噪聲峰值，如圖14所示。由于頻率響應峰化引起過(guò)大增益，噪聲峰值的幅度也會(huì )更高。

表3和表4分別顯示了使用不同精密放大器作為第一級與AD8397形成復合放大器時(shí)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

       系統級應用

在此示例中，DAC輸出緩沖器應用的目標是為低阻抗探針提供10 V p-p的輸出，電流為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(guò)TIA轉換為電壓，然后轉換為復合放大器的輸入以進(jìn)一步放大。輸出端的AD8397可滿(mǎn)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(dòng)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AD8397（以及其他高輸出電流放大器）配合使用，以實(shí)現應用所需的出色直流精度和高輸出驅動(dòng)能力。

圖16.AD8599和AD8397復合放大器的 V_OUT和 I_OUT

表5.AD8599+AD8397復合放大器規格

此配置不限于A(yíng)D8397和AD8599，其他放大器組合也是可行的，只要滿(mǎn)足輸出驅動(dòng)要求并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(dòng)能力的放大器

表7.精密前端放大器

結論

兩個(gè)放大器結合成復合放大器，可實(shí)現每個(gè)放大器的最佳規格，同時(shí)彌補各自的局限性。具有高輸出驅動(dòng)能力的放大器與精密前端放大器相結合，可為非常棘手的應用提供解決方案。設計時(shí)務(wù)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(lái)滿(mǎn)足各種應用需求。正確的實(shí)施和組合可以實(shí)現應用的恰當平衡。

致謝

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

作者簡(jiǎn)介

Jino Loquinario 2014年加入ADI公司，目前擔任線(xiàn)性產(chǎn)品與解決方案部門(mén)的產(chǎn)品應用工程師。他畢業(yè)于菲律賓科技大學(xué)米沙鄢分校，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。