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運(yùn)算放大器的串聯(lián):如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高輸出功率

作者:ADI 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,Thomas Brand 時(shí)間:2020-10-15 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏


本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202010/419232.htm

1   復(fù)合放大器

復(fù)合放大器由兩個(gè)單獨(dú)放大器組合而成,分別具有不同的特性。 圖1所示就是這種結(jié)構(gòu)。放大器1為低噪聲精密放大器 ADA4091-2 。 在本例中,放大器2為 AD8397 ,具有高輸出功率,可用于驅(qū)動(dòng)其他模塊。

圖1所示的復(fù)合放大器的配置與同相放大器的配置類似,后者具有2個(gè)外部操作電阻R1和R2。將2個(gè)串聯(lián)在一起的運(yùn)算放大器看作1個(gè)放大器??傇鲆?G)通過(guò)電阻比設(shè)置,G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發(fā)生變化,會(huì)影響放大器2 (G2)的增益,也會(huì)影響放大器1 (G1)的增益或輸出電平。但是,R3和R4不會(huì)改變有效總增益。如果G2降低,G1將增加。

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圖1 2個(gè)運(yùn)算放大器串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合放大器的示意圖

2   帶寬擴(kuò)展

復(fù)合放大器的另一個(gè)特性是具備更高帶寬。相比單個(gè)放大器,復(fù)合放大器的帶寬更高。所以,如果使用兩個(gè)完全相同的放大器,其增益帶寬積(GBWP)為100 MHz,增益G = 1,那么–3 dB帶寬可以提高約27%。增益越高,效果越明顯,但最高只能達(dá)到特定限值。一旦超過(guò)限值,可能會(huì)不穩(wěn)定。2個(gè)增益分布不均時(shí),也會(huì)出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來(lái)說(shuō),在2個(gè)放大器的增益均等分布的情況下,可獲得最大帶寬。采用上述值(GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10),在總增益為10時(shí),2個(gè)放大器組合的–3 dB帶寬可以達(dá)到單個(gè)放大器的3倍。

這種說(shuō)明相對(duì)簡(jiǎn)單。增益均勻分布時(shí),G2也會(huì)獲得與放大器1相同的有效增益。但是,每個(gè)獨(dú)立放大器的開環(huán)增益更高。增益較低時(shí),例如,從40 dB降至20 dB時(shí),2個(gè)放大器都會(huì)在開環(huán)曲線的低區(qū)域內(nèi)運(yùn)行(參見圖2)。如此,與具有同樣增益的單個(gè)放大器相比,復(fù)合放大器可獲得更高帶寬。

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圖2 通過(guò)復(fù)合放大器擴(kuò)展帶寬

3   直流精度和噪聲

在典型運(yùn)算放大器電路中,部分輸出會(huì)饋送到反相輸入。如此,可以通過(guò)反饋路徑來(lái)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(dú)的反饋路徑,雖然它也在放大器1 的反饋路徑中。整體配置輸出會(huì)因放大器2產(chǎn)生更大誤差,但在反饋給放大器1時(shí),會(huì)修正這種誤差。因此,可以保持放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第1個(gè)放大器的輸入失調(diào)誤差成正比,與第2個(gè)放大器的失調(diào)電壓無(wú)關(guān)。

噪聲分量也一樣。它也通過(guò)反饋得到修正,其中交流信號(hào)與2個(gè)放大器級(jí)的帶寬預(yù)留相關(guān)。只要第1個(gè)放大器級(jí)具備足夠帶寬,它就會(huì)修正放大器2的噪聲分量。至此,其輸出電壓噪聲密度占主導(dǎo)地位。但是,如果超過(guò)了放大器1的帶寬,那么第2個(gè)放大器的噪聲分量開始占主導(dǎo)。如果放大器1的帶寬過(guò)高,或者遠(yuǎn)高于放大器2的帶寬,就會(huì)產(chǎn)生問題。這可能導(dǎo)致復(fù)合放大器的輸出中出現(xiàn)額外的噪聲峰值。

4   結(jié)論

通過(guò)將2個(gè)放大器串聯(lián)在一起,可以將兩者的出色特性相結(jié)合,從而獲得使用單個(gè)運(yùn)算放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。例如,可以實(shí)現(xiàn)具有高輸出功率和高帶寬的高精度放大器。圖1所示的示例電路使用了軌到軌放大器AD8397(–3 dB帶寬 = 69 MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3 dB帶寬 = 1.2 MHz),將兩者組合得到的帶寬比單個(gè)放大器(放大器1)的帶寬要高2倍以上(G = 10)。此外,將AD8397和各種精密放大器組合,還可以降低噪聲,并改善THD特性。但是,在設(shè)計(jì)中,還必須通過(guò)修正放大器配置來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果考慮所有標(biāo)準(zhǔn),復(fù)合放大器也可能適用于各種要求嚴(yán)苛的廣泛應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介:

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Thomas Brand

Thomas Brand,碩士,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外,他還專注于研究工業(yè)以太網(wǎng),并為中歐的相關(guān)主題提供支持。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè),之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。

工程師常常面對(duì)各種挑戰(zhàn),需要不斷開發(fā)新應(yīng)用,以滿足廣泛的需求。一般來(lái)說(shuō),這些需求很難同時(shí)滿足。例如一款高速、高壓運(yùn)算放大器(運(yùn)放),同時(shí)還具有高輸出功率,以及同樣出色的直流精度、噪聲和失真性能。市面上很少能見到兼具所有這些特性的運(yùn)算放大器。但是,您可以使用2個(gè)單獨(dú)的放大器來(lái)構(gòu)建這種放大器,形成復(fù)合放大器。將2個(gè)運(yùn)算放大器組合在一起,就能將各自的優(yōu)勢(shì)特性集成于一體。這樣,與具有相同增益的單個(gè)放大器相比,2個(gè)運(yùn)算放大器組合可以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

(注:本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期)



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