亚德诺半导体|技术分析：运算放大器如何同时实现高精度和高输出功率

工程师常常面对各种挑战,需要不断开发新应用,以满足广泛的需求。一般来说,这些需求很难同时满足。例如一款高速、高压运算放大器(运放),同时还具有高输出功率,以及同样出色的直流精度、噪声和失真性能。市面上很少能见到兼具所有这些特性的运算放大器。但是,您可以使用两个单独的放大器来构建这种放大器,形成复合放大器。将两个运算放大器组合在一起,就能将各自的优势特性集成于一体。这样,与具有相同增益的单个放大器相比,两个运算放大器组合可以实现更高的带宽。
复合放大器
【亚德诺半导体|技术分析：运算放大器如何同时实现高精度和高输出功率】复合放大器由两个单独放大器组合而成,分别具有不同的特性。图1所示就是这种结构。放大器1为低噪声精密放大器ADA4091-2 。在本例中,放大器2为AD8397,具有高输出功率,可用于驱动其他模块。

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图1．两个运算放大器串联构成复合放大器的示意图
图1所示的复合放大器的配置与同相放大器的配置类似,后者具有两个外部操作电阻R1和R2 。将两个串联在一起的运算放大器看作一个放大器。总增益(G)通过电阻比设置,G=1+R1/R2 。如果R3与R4电阻比发生变化,会影响放大器2(G2)的增益,也会影响放大器1(G1)的增益或输出电平。但是,R3和R4不会改变有效总增益。如果G2降低,G1将增加。
带宽扩展
复合放大器的另一个特性是具备更高带宽。相比单个放大器,复合放大器的带宽更高。所以,如果使用两个完全相同的放大器,其增益带宽积(GBWP)为100MHz,增益G=1,那么–3dB带宽可以提高约27% 。增益越高,效果越明显,但最高只能达到特定限值。一旦超过限值,可能会不稳定。两个增益分布不均时,也会出现这种不稳定的情况。一般来说,在两个放大器的增益均等分布的情况下,可获得最大带宽。采用上述值(GBWP=100MHz、G2=3．16、G=10),在总增益为10时,两个放大器组合的–3dB带宽可以达到单个放大器的3倍。
这种说明相对简单。增益均匀分布时,G2也会获得与放大器1相同的有效增益。但是,每个独立放大器的开环增益更高。增益较低时,例如,从40dB降至20db时,两个放大器都会在开环曲线的低区域内运行(参见图2) 。如此,与具有同样增益的单个放大器相比,复合放大器可获得更高带宽。

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图2．通过复合放大器扩展带宽
直流精度和噪声
在典型运算放大器电路中,部分输出会馈送到反相输入。如此,可以通过反馈路径来修正输出误差,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,虽然它也在放大器1的反馈路径中。整体配置输出会因放大器2产生更大误差,但在反馈给放大器1时,会修正这种误差。因此,可以保持放大器1的精度。输出失调仅与第一个放大器的输入失调误差成正比,与第二个放大器的失调电压无关。
噪声分量也一样。它也通过反馈得到修正,其中交流信号与两个放大器级的带宽预留相关。只要第一个放大器级具备足够带宽,它就会修正放大器2的噪声分量。至此,其输出电压噪声密度占主导地位。但是,如果超过了放大器1的带宽,那么第二个放大器的噪声分量开始占主导。如果放大器1的带宽过高,或者远高于放大器2的带宽,就会产生问题。这可能导致复合放大器的输出中出现额外的噪声峰值。
结论
通过将两个放大器串联在一起,可以将两者的出色特性相结合,从而获得使用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高带宽的高精度放大器。图1所示的示例电路使用了轨到轨放大器AD8397(–3dB带宽=69MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3dB带宽=1．2MHz),将两者组合得到的带宽比单个放大器(放大器1)的带宽要高2倍以上(G=10) 。此外,将AD8397和各种精密放大器组合,还可以降低噪声,并改善THD特性。但是,在设计中,还必须通过修正放大器配置来确保系统的稳定性。如果考虑所有标准,复合放大器也可能适用于各种要求严苛的广泛应用。