復(fù)合放大器：高精度的高輸出驅(qū)動(dòng)能力

簡(jiǎn)介

要開(kāi)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(chǎng)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(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)滿足。當(dāng)遇到這樣的問(wèn)題時(shí)，有些人會(huì)認(rèn)為我們不可能滿足此類(lèi)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(duì)此，有一種解決方案是采用復(fù)合放大器，本文將說(shuō)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(jiǎn)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(wèn)題可能是如何設(shè)置增益。為了解決這個(gè)問(wèn)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(wú)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(kāi)大三角形內(nèi)部的復(fù)合配置并沒(méi)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(guò)R3和R4改變AMP2的增益會(huì)影響AMP2的輸出電平，表明復(fù)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(fù)合輸出（AMP2輸出）保持不變。或者，降低AMP2周?chē)脑鲆鎸?huì)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(shuō)明其對(duì)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(huì)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(shì)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(qǐng)注意，復(fù)合增益通過(guò)R1和R2設(shè)置為10。AMP2周?chē)脑鲆嬖O(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(qǐng)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(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(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(huì)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(kāi)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(duì)簡(jiǎn)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﹣?lái)獲得盡可能高的帶寬，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?lái)保持穩(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(jí)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(huì)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_(kāi)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_(kāi)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(huì)恢復(fù)。

本文選用AD8397作為輸出級(jí)(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(shì)。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(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(duì)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(duì)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(hào)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(wú)論V_OS2的值是多少，它都保持在5 mV。如果沒(méi)有復(fù)合環(huán)路，我們預(yù)計(jì)輸出誤差會(huì)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(lèi)似的方式進(jìn)行校正，但對(duì)于交流參數(shù)，兩級(jí)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(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(jí)(AMP1)有足夠的帶寬，它就會(huì)校正第二級(jí)(AMP2)的較大噪聲。當(dāng)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(dǎo)地位。但是，如果AMP1帶寬過(guò)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(jí)帶寬的關(guān)系

對(duì)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(lái)補(bǔ)償AMP2，這種情況就會(huì)持續(xù)下去。

若AMP1帶寬小于AMP2帶寬，當(dāng)AMP1帶寬開(kāi)始滾降時(shí)，噪聲密度將開(kāi)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(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(jí)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(jí)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(guò)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(lái)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(duì)此表示感謝。

作者簡(jiǎn)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(mén)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。