復(fù)合放大器：高精度的高輸出驅(qū)動(dòng)能力

簡介

要開發(fā)的應(yīng)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。為了滿足應(yīng)用要求，我們需要想出一種超出市場上現(xiàn)有產(chǎn)品性能的解決方案。例如，應(yīng)用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅(qū)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法通過單個(gè)放大器來滿足。當(dāng)遇到這樣的問題時(shí)，有些人會認(rèn)為我們不可能滿足此類應(yīng)用的要求，我們必須滿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(yùn)的是，這并非全然正確。對此，有一種解決方案是采用復(fù)合放大器，本文將說明它是如何實(shí)現(xiàn)的。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器由兩個(gè)獨(dú)立的放大器組成，其配置方式使得人們既能實(shí)現(xiàn)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.簡單復(fù)合放大器配置

參考圖1，AMP1具有應(yīng)用所需的出色直流精度以及噪聲和失真性能。AMP2滿足輸出驅(qū)動(dòng)要求。在這種配置中，具有所需輸出規(guī)格的放大器(AMP2)放置在具有所需輸入規(guī)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(shè)置增益

初遇復(fù)合放大器時(shí)，第一個(gè)問題可能是如何設(shè)置增益。為了解決這個(gè)問題，將復(fù)合放大器視為包含在大三角形內(nèi)的單個(gè)同相運(yùn)算放大器是有幫助的，如圖2所示。想象大三角形是黑色的，我們無法看清里面的東西，那么同相運(yùn)算放大器的增益就是1 + R1/R2。揭開大三角形內(nèi)部的復(fù)合配置并沒有改變?nèi)魏螙|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(rèn)為通過R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平，表明復(fù)合增益會發(fā)生變化，但事實(shí)并非如此。通過R3和R4提高AMP2周圍的增益只會降低AMP1的有效增益和輸出電平，而復(fù)合輸出（AMP2輸出）保持不變。或者，降低AMP2周圍的增益將會提高AMP1的有效增益。因此，復(fù)合放大器的增益一般僅取決于R1和R2。

圖2.復(fù)合放大器被視為單個(gè)放大器

本文將討論實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器配置的主要優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮因素。本文將重點(diǎn)說明其對帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴(kuò)展

與配置為相同增益的單個(gè)放大器相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shè)我們有兩個(gè)獨(dú)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(fù)合配置，整個(gè)組合的有效GBWP將會增加。在單位增益時(shí)，復(fù)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(fù)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(fù)合放大器。請注意，復(fù)合增益通過R1和R2設(shè)置為10。AMP2周圍的增益設(shè)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(fù)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(yīng)與配置為同樣增益的復(fù)合放大器的頻率響應(yīng)。在這種情況下，復(fù)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(tǒng)增益為40 dB，使用兩個(gè)相同的放大器，每個(gè)放大器的開環(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(yù)期響應(yīng)

為使組合實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shè)置為20 dB會迫使AMP1的有效閉環(huán)增益同樣達(dá)到20 dB。采用這種增益配置，兩個(gè)放大器在開環(huán)曲線上的工作點(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(fù)合放大器在增益為40 dB時(shí)將具有更高的帶寬。

雖然看似相對簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但在設(shè)計(jì)復(fù)合放大器時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣慝@得盡可能高的帶寬，同時(shí)不能犧牲組合的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)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(dāng)?shù)脑鲆媾渲脕肀３址€(wěn)定性。另外應(yīng)注意，復(fù)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AMP1的GBWP，否則將導(dǎo)致峰化，并且可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 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€(wěn)定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會導(dǎo)致AMP1的有效增益提高。結(jié)果是AMP1閉環(huán)帶寬降低，因?yàn)槠湓陂_環(huán)曲線上的工作點(diǎn)提高，而AMP2閉環(huán)帶寬提高，因?yàn)槠湓陂_環(huán)曲線上的工作點(diǎn)降低。如果充分應(yīng)用AMP1的減速和AMP2的加速，復(fù)合放大器的穩(wěn)定性就會恢復(fù)。

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(fù)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(kuò)展，增益為10，V_OUT = 10 V p-p

保持直流精度

圖9.運(yùn)算放大器反饋環(huán)路

在典型運(yùn)算放大器電路中，輸出的一部分會被反饋到反相輸入。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(fù)合放大器反饋環(huán)路

對于復(fù)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A1的較大反饋環(huán)路內(nèi)。輸出現(xiàn)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(dǎo)致A1的精度得以保留。

在圖11所示電路和圖12所示結(jié)果中可以清楚地看到該復(fù)合反饋環(huán)路的影響。圖11顯示了一個(gè)由兩個(gè)理想運(yùn)算放大器組成的復(fù)合放大器。復(fù)合增益為100，AMP2增益設(shè)置為5。V_OS1表示AMP1的50μV失調(diào)電壓，而V_OS2表示AMP2的可變失調(diào)電壓。圖12顯示，當(dāng)V_OS2從0 mV掃描到100 mV時(shí)，輸出失調(diào)不受AMP2貢獻(xiàn)的誤差（失調(diào)）幅度的影響。相反，輸出失調(diào)僅與AMP1的誤差（50μV乘以復(fù)合增益100）成比例，并且無論V_OS2的值是多少，它都保持在5 mV。如果沒有復(fù)合環(huán)路，我們預(yù)計(jì)輸出誤差會高達(dá)500 mV。

圖11.失調(diào)誤差貢獻(xiàn)

圖12.復(fù)合輸出失調(diào)與V_OS2的關(guān)系

表2.增益為100時(shí)的輸出失調(diào)電壓

噪聲和失真

復(fù)合放大器的輸出噪聲和諧波失真以與直流誤差類似的方式進(jìn)行校正，但對于交流參數(shù)，兩級的帶寬也會起作用。我們將舉一個(gè)例子，使用輸出噪聲來說明這一點(diǎn)；同時(shí)應(yīng)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，它就會校正第二級(AMP2)的較大噪聲。當(dāng)AMP1的帶寬開始耗盡時(shí)，來自AMP2的噪聲將開始占主導(dǎo)地位。但是，如果AMP1帶寬過多，并且頻率響應(yīng)中存在峰化，那么在相同頻率處將產(chǎn)生噪聲峰值。

圖13.復(fù)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的上部曲線顯示了各種AMP1帶寬的頻率響應(yīng)以及單一固定帶寬的AMP2的頻率響應(yīng)?；貞浽鲆娣峙洳糠?，若復(fù)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(fù)合增益等于100 nV/√HZ）。只要AMP1有足夠的帶寬來補(bǔ)償AMP2，這種情況就會持續(xù)下去。

若AMP1帶寬小于AMP2帶寬，當(dāng)AMP1帶寬開始滾降時(shí)，噪聲密度將開始由AMP2主導(dǎo)。這可以在圖14的兩條跡線中看到，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(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰化，則復(fù)合放大器將在相同頻率處呈現(xiàn)噪聲峰值，如圖14所示。由于頻率響應(yīng)峰化引起過大增益，噪聲峰值的幅度也會更高。

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(fù)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(tǒng)級應(yīng)用

在此示例中，DAC輸出緩沖器應(yīng)用的目標(biāo)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TIA轉(zhuǎn)換為電壓，然后轉(zhuǎn)換為復(fù)合放大器的輸入以進(jìn)一步放大。輸出端的AD8397可滿足輸出要求。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(qū)動(dòng)器的應(yīng)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(yīng)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(xiàn)應(yīng)用所需的出色直流精度和高輸出驅(qū)動(dòng)能力。

圖16.AD8599和AD8397復(fù)合放大器的 V_OUT和 I_OUT

表5.AD8599+AD8397復(fù)合放大器規(guī)格

此配置不限于AD8397和AD8599，其他放大器組合也是可行的，只要滿足輸出驅(qū)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(yīng)用。

表6.具有高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力的放大器

表7.精密前端放大器

結(jié)論

兩個(gè)放大器結(jié)合成復(fù)合放大器，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)放大器的最佳規(guī)格，同時(shí)彌補(bǔ)各自的局限性。具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的放大器與精密前端放大器相結(jié)合，可為非常棘手的應(yīng)用提供解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必考慮穩(wěn)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滿足各種應(yīng)用需求。正確的實(shí)施和組合可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的恰當(dāng)平衡。

致謝

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

作者簡介

Jino Loquinario 2014年加入ADI公司，目前擔(dān)任線性產(chǎn)品與解決方案部門的產(chǎn)品應(yīng)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。