面對(duì)似乎不存在解決方案的應(yīng)用程序是正常的，幾乎是意料之中的。為了滿足他們的要求，我們需要考慮一種超越市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品性能的解決方案。例如，應(yīng)用可能需要具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力的高速高電壓放大器，但也可能需要出色的直流精度、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)上隨處可見(jiàn)，事實(shí)上，其中許多都是如此。但是，單個(gè)放大器可能不存在所有要求。當(dāng)面對(duì)這個(gè)問(wèn)題時(shí)，有些人會(huì)認(rèn)為我們不可能滿足此類應(yīng)用的需求，我們必須滿足于平庸的解決方案，并使用精密放大器或高速放大器，也許會(huì)犧牲一些要求。幸運(yùn)的是，這并不完全正確。有一個(gè)復(fù)合放大器形式的解決方案，本文將展示它是如何實(shí)現(xiàn)的。

復(fù)合放大器

復(fù)合放大器是兩個(gè)獨(dú)立放大器的排列方式，其配置方式是實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)放大器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少每個(gè)放大器的缺點(diǎn)。

圖1.簡(jiǎn)單的復(fù)合放大器配置。

參考圖1，AMP1應(yīng)具有出色的直流精度以及應(yīng)用所需的噪聲和失真性能。AMP2 應(yīng)提供輸出驅(qū)動(dòng)要求。在這種布置中，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)路內(nèi)。將討論這種安排的一些技術(shù)和好處。

設(shè)置增益

最初遇到復(fù)合放大器時(shí)，可能出現(xiàn)的第一個(gè)問(wèn)題是如何設(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。如果我們想象三角形被涂黑，以至于我們看不到里面的東西，那么同相運(yùn)算放大器的增益為1 + R1/R2。揭示三角形內(nèi)的復(fù)合配置不會(huì)改變?nèi)魏螙|西——整個(gè)事物的增益仍然由 R1 和 R2 的比率控制。

在這種配置中，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)合增益的變化，但事實(shí)并非如此。通過(guò)R3和R4增加AMP2附近的增益只會(huì)降低AMP1的有效增益和輸出電平，從而使復(fù)合輸出（AMP2輸出）保持不變?；蛘?，降低AMP2周?chē)脑鲆鎸⒂兄谠黾覣MP1的有效增益。因此，一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合放大器的增益僅取決于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)合放大器配置時(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮因素。將重點(diǎn)介紹對(duì)帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴(kuò)展

與配置相同增益的單個(gè)放大器相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)合放大器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是帶寬更大。

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。 將它們組合在一起將增加組合的有效GBWP。在單位增益下，復(fù)合放大器提供~27%的–3 dB帶寬，盡管峰值量很小。然而，在更高的收益下，這種好處變得更加明顯。

圖3.單位增益下的復(fù)合放大器。

圖4.單位增益時(shí)帶寬改善 –3 dB。

圖5所示為增益為10的復(fù)合放大器。注意，通過(guò)R1和R2將復(fù)合增益設(shè)置為10。AMP2周?chē)脑鲆嬖O(shè)置為約3.16，迫使AMP1的有效增益相同。在兩個(gè)放大器之間平均分配增益可產(chǎn)生最大可能的帶寬。

圖5.復(fù)合放大器配置為增益 = 10。

圖6顯示了增益為10的單個(gè)放大器與配置相同增益的復(fù)合放大器相比的頻率響應(yīng)。在這種情況下，復(fù)合的帶寬增加了~300%。這怎么可能？

圖6.增益 = 10 時(shí)帶寬提高 –3 dB。

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，并將使用兩個(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.增益分離以獲得最大帶寬。

圖8.單個(gè)放大器的預(yù)期響應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)組合的最高帶寬，我們將在兩個(gè)放大器之間平均分配所需的系統(tǒng)增益，使每個(gè)放大器的增益為20 dB。因此，將AMP2的閉環(huán)增益設(shè)置為20 dB也會(huì)強(qiáng)制AMP1的有效閉環(huán)增益為20 dB。在這種增益配置下，兩個(gè)放大器在開(kāi)環(huán)曲線上的工作頻率低于任何一個(gè)放大器在40 dB增益下的工作頻率。因此，與相同增益的單放大器解決方案相比，該復(fù)合器件在增益為40 dB時(shí)將具有更高的帶寬。

雖然這聽(tīng)起來(lái)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)適當(dāng)小心，使其具有盡可能高的帶寬，同時(shí)又不犧牲組合的穩(wěn)定性。在放大器不理想且可能不相同的實(shí)際應(yīng)用中，必須確保適當(dāng)?shù)脑鲆娌贾靡员３址€(wěn)定性。另外，請(qǐng)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，可能無(wú)法平均分配增益。此時(shí)，兩個(gè)放大器之間增益的均勻分布要求AMP2的GBWP必須始終大于或等于AMP1的GBWP，否則將導(dǎo)致峰值和可能的不穩(wěn)定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 GBWP的情況下，通?？梢酝ㄟ^(guò)在兩個(gè)放大器之間重新分配增益來(lái)糾正不穩(wěn)定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會(huì)導(dǎo)致AMP1的有效增益增加。結(jié)果是，AMP1閉環(huán)帶寬隨著其在開(kāi)環(huán)曲線上的較高工作而降低，而AMP2閉環(huán)帶寬隨著其在開(kāi)環(huán)曲線上的較低工作而增加。如果充分應(yīng)用AMP1的減慢和AMP2的加速，復(fù)合組合的穩(wěn)定性將得到恢復(fù)。

本文選擇AD8397作為輸出級(jí)（AMP2），與AMP1的各種精密放大器接口，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，能夠提供310 mA電流。

保持直流精度

圖9.運(yùn)算放大器反饋環(huán)路。

在典型的運(yùn)算放大器電路中，一部分輸出被反饋到反相輸入。在環(huán)路中產(chǎn)生的輸出誤差乘以反饋因子（β）并減去。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)合放大器反饋回路。

對(duì)于復(fù)合放大器，放大器A2有自己的反饋回路，但A2及其反饋回路都在A1的較大反饋回路內(nèi)。輸出現(xiàn)在包含由于 A2 引起的較大誤差，這些誤差將反饋給 A1 并進(jìn)行校正。較大的校正信號(hào)可保留A1的精度。

該復(fù)合反饋環(huán)路的效果在電路中可以清楚地看到，結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11所示為由兩個(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操作系統(tǒng)1表示AMP1的50 μV失調(diào)電壓，而V操作系統(tǒng)2表示AMP2的可變失調(diào)電壓。圖 12 顯示，作為 V操作系統(tǒng)2從0 mV掃描至100 mV，輸出失調(diào)不受AMP2貢獻(xiàn)的誤差幅度（失調(diào)）的影響。相反，輸出失調(diào)僅與AMP1的誤差（50 μV乘以復(fù)合增益100）成正比，并且無(wú)論V值如何，均保持在5 mV操作系統(tǒng)2. 如果沒(méi)有復(fù)合環(huán)路，預(yù)計(jì)輸出誤差將高達(dá)500 mV。

圖 11.偏移誤差貢獻(xiàn)。

圖 12.復(fù)合輸出失調(diào)與 V 的關(guān)系操作系統(tǒng)2.

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，但是，在交流參數(shù)的情況下，兩級(jí)的帶寬也會(huì)發(fā)揮作用。我們將看一個(gè)使用輸出噪聲的例子來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)，并理解失真消除以大致相同的方式發(fā)生。

參考圖13中的示例電路，只要第一級(jí)（AMP1）具有足夠的帶寬，它就會(huì)校正第二級(jí)（AMP2）的較大噪聲。隨著AMP1開(kāi)始耗盡帶寬，來(lái)自AMP2的噪聲將開(kāi)始占主導(dǎo)地位。但是，如果AMP1的帶寬過(guò)多，并且頻率響應(yīng)中存在峰值，則會(huì)在相同頻率下產(chǎn)生噪聲峰值。

圖 13.復(fù)合放大器的噪聲源。

在本例中，圖13中的電阻R5和R6分別代表AMP1和AMP2的固有噪聲源。圖14的上圖顯示了各種AMP1帶寬的頻率響應(yīng)以及單個(gè)固定帶寬下AMP2的頻率響應(yīng)?；叵胍幌略鲆娣指畈糠郑?00 （40 dB） 的復(fù)合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益將強(qiáng)制有效 AMP1 增益為 20 （26 dB），如下所示。

下圖顯示了每種情況下的寬帶輸出噪聲密度。在低頻下，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。

對(duì)于AMP1帶寬低于AMP2的情況，隨著AMP1帶寬開(kāi)始滾動(dòng)，噪聲密度將開(kāi)始由AMP2主導(dǎo)。這可以從圖14的兩條跡線中看到，當(dāng)噪聲攀升至200 nV/√Hz（40 nV/√Hz乘以AMP2增益5）時(shí)。最后，如果AMP1的帶寬比AMP2大得多，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，則復(fù)合放大器在相同頻率下將出現(xiàn)噪聲峰值，如圖14所示。由于頻率響應(yīng)峰值導(dǎo)致增益過(guò)大，噪聲峰值的幅度也會(huì)更高。

圖 14.噪聲性能與第 1 級(jí)帶寬的關(guān)系。

表3和表4顯示了在AD8397復(fù)合放大器中使用各種精密放大器作為第一級(jí)時(shí)的有效降噪和THD+n改善。

系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用

圖 15.DAC輸出驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路

在本例中，DAC輸出緩沖器應(yīng)用的目標(biāo)是向低阻抗探頭提供10 V p-p的輸出，電流為500 mA p-p，噪聲和失真低，具有出色的直流精度，并具有盡可能高的帶寬。4 mA至20 mA電流輸出DAC的輸出由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)行更大放大。當(dāng)AD8397在輸出端時(shí)，可以達(dá)到輸出要求。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。

AMP1可以是具有配置要求所需的所需直流精度的任何精密放大器。在本應(yīng)用中，各種前端精密放大器可與AD8397（和其他高輸出電流放大器）配合使用，以滿足應(yīng)用所需的出色直流要求和高輸出能力驅(qū)動(dòng)。

圖 16.V外和我外適用于AD8599和AD8397復(fù)合放大器。

這種配置不僅限于AD8397和AD8599，還可以與其他放大器組合配合使用，以滿足這種需要出色直流精度的輸出驅(qū)動(dòng)規(guī)格。表6和表7中的放大器也適用于此應(yīng)用。

結(jié)論

使用復(fù)合放大器，兩個(gè)放大器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了每個(gè)放大器提供的最佳規(guī)格，同時(shí)彌補(bǔ)了它們的局限性。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，可以為具有挑戰(zhàn)性要求的應(yīng)用提供解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)始終考慮穩(wěn)定性、噪聲峰值、帶寬和壓擺率，以獲得最佳性能。有很多可能的選擇來(lái)滿足廣泛的應(yīng)用。通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?shí)施和組合，為應(yīng)用程序取得適當(dāng)?shù)钠胶馐歉叨瓤梢詫?shí)現(xiàn)的。

審核編輯：郭婷