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運算放大器的串聯:如何同時實現高精度和高輸出功率

  • 賴品如

圖1. 兩個運算放大器串聯構成複合放大器的示意圖

工程師常常面對著各種挑戰,因此需要不斷開發新應用以滿足廣泛的需求。一般來說,這些需求很難同時滿足。例如,一款高速、高壓運算放大器同時還具有高輸出功率,以及同樣出色的直流精度、雜訊和失真效能。市面上很少能見到兼具所有這些特性的運算放大器,但是可以使用兩個單獨的放大器來建構這種放大器,以構成一複合式放大器。將兩個運算放大器組合在一起,就能將各自的優勢特性整合於一體。如此一來,相較於具有相同增益的單個放大器,兩個運算放大器組合便可以實現更高的頻寬。

複合式放大器

圖2.透過複合放大器擴展頻寬。

複合式放大器由兩個單獨放大器組合而成,其分別具有不同的特性。 圖1所示為此種結構。放大器1為低雜訊精密放大器ADA4091-2。 在本例中,放大器2為AD8397,具有高輸出功率,可用於驅動其他模組。


圖1所示的複合放大器的配置與同相放大器的配置類似,後者具有兩個外部操作電阻R1和R2。將兩個串聯在一起的運算放大器看作一個放大器。總增益(G)透過電阻比設定,G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發生變化,則會影響放大器2 (G2)的增益,也會影響放大器1 (G1)的增益或輸出電平。但是,R3和R4不會改變有效總增益。如果G2降低,G1將增加。

頻寬擴展

複合式放大器的另一個特性是具備更高頻寬。相較於單個放大器,複合放大器的頻寬更高。所以,如果使用兩個完全相同的放大器,其增益頻寬積(GBWP)為100 MHz,增益G = 1,那麼–3 dB頻寬可以提高約27%。增益越高,效果越明顯,但最高只能達到特定限值。一旦超過限值,可能會不穩定。兩個增益分布不均時,也會出現這種不穩定的情況。

一般來說,在兩個放大器的增益均等分布的情況下,可獲得最大頻寬。採用上述值(GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10),在總增益為10時,兩個放大器組合的–3 dB頻寬可以達到單個放大器的3倍。這項說明相對簡單。增益均勻分布時,G2也會獲得與放大器1相同的有效增益。但是,每個獨立放大器的開迴路增益更高。當增益較低時,例如,從40dB降至20db時,兩個放大器都會在開迴路曲線的低區域內運行(參見圖2)。如此,與具有同樣增益的單個放大器相比,複合式放大器可獲得更高頻寬。


直流精度和雜訊

在典型運算放大器電路中,部分輸出會饋送到反相輸入。如此,可以透過回饋路徑來修正輸出誤差,以提高精度。圖1所示的組合也為放大器2提供了單獨的回饋路徑,雖然它也在放大器1 的回饋路徑中。整體配置輸出會因放大器2產生更大誤差,但在回饋給放大器1時,會修正這種誤差。因此,可以保持放大器1的精度。輸出失調僅與第一個放大器的輸入失調誤差成正比,與第二個放大器的失調電壓無關。

雜訊分量也是一樣。它也透過回饋得到修正,其中交流訊號與兩個放大器級的頻寬預留相關。只要第一個放大器級具備足夠頻寬,它便會修正放大器2的雜訊分量。至此,其輸出電壓雜訊密度佔主導地位。但是,如果超過了放大器1的頻寬,那麼第二個放大器的雜訊分量開始佔主導地位。如果放大器1的頻寬過高,或者遠高於放大器2的頻寬,那麼便會產生問題,而這可能會導致複合放大器的輸出中出現額外的雜訊峰值。

結論

透過將兩個放大器串聯在一起,可以將兩者的出色特性相結合,而能獲得使用單個運算放大器無法實現的結果。例如,可以實現具有高輸出功率和高頻寬的高精度放大器。圖1所示的示例電路使用了軌對軌放大器AD8397(–3 dB頻寬 = 69 MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3 dB頻寬 = 1.2 MHz),將兩者組合得到的頻寬比單個放大器(放大器1)的頻寬要高2倍以上(G = 10)。此外,將AD8397和各種精密放大器組合,還可以降低雜訊,並改善THD特性。但是,在設計中,還必須透於修正放大器配置來確保系統的穩定性。如果考慮所有標準,複合放大器也可能適用於各種要求嚴苛的廣泛應用中。(文章由ADI應用工程師Thomas Brand撰寫;賴品如整理報導)