復合放大器：高精度的高輸出驅動能力

簡介

要開發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。為了滿足應用要求，我們需要想出一種超出市場上現有產品性能的解決方案。例如，應用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅動能力的放大器，同時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，事實上很多都是如此。但是，所有這些要求可能無法通過單個放大器來滿足。當遇到這樣的問題時，有些人會認為我們不可能滿足此類應用的要求，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，本文將說明它是如何實現的。

復合放大器

復合放大器由兩個獨立的放大器組成，其配置方式使得人們既能實現每個放大器的優點，又能削弱每個放大器的缺點。

圖1.簡單復合放大器配置

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滿足輸出驅動要求。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)的反饋環路中。下面將討論這種配置涉及的一些技術及其益處。

設置增益

初遇復合放大器時，第一個問題可能是如何設置增益。為了解決這個問題，將復合放大器視為包含在大三角形內的單個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。揭開大三角形內部的復合配置并沒有改變任何東西，整個電路的增益仍然由R1和R2的比率控制。

在這種配置中，人們很容易認為通過R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平，表明復合增益會發生變化，但事實并非如此。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放大器

本文將討論實現復合放大器配置的主要優點和設計考慮因素。本文將重點說明其對帶寬、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放大器相比，實現復合放大器的主要優點之一是帶寬更寬。

參考圖3和圖4，假設我們有兩個獨立的放大器，每個放大器的增益帶寬積(GBWP)為100 MHz。將它們組合成一個復合配置，整個組合的有效GBWP將會增加。在單位增益時，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，這種優勢變得越發明顯。

圖3.單位增益復合放大器

圖4.單位增益時的-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R1和R2設置為10。AMP2周圍的增益設置為約3.16，迫使AMP1的有效增益與此相同。在兩個放大器之間平均分配增益可以產生最大可能的帶寬。

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時的-3 dB帶寬改善情況

有關具體示例，請參閱圖7和圖8。我們要求系統增益為40 dB，使用兩個相同的放大器，每個放大器的開環增益為80 dB，GBWP為100 MHz。

圖7.分配增益以獲得最大帶寬

圖8.單個放大器的預期響應

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

雖然看似相對簡單且易于實現，但在設計復合放大器時應采取適當的措施來獲得盡可能高的帶寬，同時不能犧牲組合的穩定性。在實際應用中，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，否則將導致峰化，并且可能導致電路不穩定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 GBWP的情況下，在兩個放大器之間重新分配增益通常可以校正不穩定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會導致AMP1的有效增益提高。結果是AMP1閉環帶寬降低，因為其在開環曲線上的工作點提高，而AMP2閉環帶寬提高，因為其在開環曲線上的工作點降低。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.運算放大器反饋環路

在典型運算放大器電路中，輸出的一部分會被反饋到反相輸入。輸出端存在的誤差（環路中產生）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增益(A)的保真度。

圖10.復合放大器反饋環路

對于復合放大器，放大器A2有自己的反饋環路，但A2及其反饋環路都在A1的較大反饋環路內。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路的影響。圖11顯示了一個由兩個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，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，并且無論V_OS2的值是多少，它都保持在5 mV。如果沒有復合環路，我們預計輸出誤差會高達500 mV。

圖11.失調誤差貢獻

圖12.復合輸出失調與V_OS2的關系

表2.增益為100時的輸出失調電壓

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似的方式進行校正，但對于交流參數，兩級的帶寬也會起作用。我們將舉一個例子，使用輸出噪聲來說明這一點；同時應理解，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，它就會校正第二級(AMP2)的較大噪聲。當AMP1的帶寬開始耗盡時，來自AMP2的噪聲將開始占主導地位。但是，如果AMP1帶寬過多，并且頻率響應中存在峰化，那么在相同頻率處將產生噪聲峰值。

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帶寬的頻率響應以及單一固定帶寬的AMP2的頻率響應。回憶增益分配部分，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。

下部曲線顯示了每種情況的寬帶輸出噪聲密度。在低頻時，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有足夠的帶寬來補償AMP2，這種情況就會持續下去。

若AMP1帶寬小于AMP2帶寬，當AMP1帶寬開始滾降時，噪聲密度將開始由AMP2主導。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形成復合放大器時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TIA轉換為電壓，然后轉換為復合放大器的輸入以進一步放大。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輸出驅動器的應用電路

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，以實現應用所需的出色直流精度和高輸出驅動能力。

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AD8397和AD8599，其他放大器組合也是可行的，只要滿足輸出驅動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能力的放大器

表7.精密前端放大器

結論

兩個放大器結合成復合放大器，可實現每個放大器的最佳規格，同時彌補各自的局限性。具有高輸出驅動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。設計時務必考慮穩定性、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滿足各種應用需求。正確的實施和組合可以實現應用的恰當平衡。

致謝

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

作者簡介

Jino Loquinario 2014年加入ADI公司，目前擔任線性產品與解決方案部門的產品應用工程師。他畢業于菲律賓科技大學米沙鄢分校，獲電子工程學士學位。