運放串聯(lián)：如何同時實現(xiàn)高精度與高輸出功率

在電子工程領域，工程師們常常面臨開發(fā)滿足廣泛需求應用的挑戰(zhàn)，而且這些需求往往難以同時滿足。例如，要找到一款兼具高速、高電壓、高輸出功率，同時在直流精度、噪聲和失真方面表現(xiàn)出色的運算放大器（運放），在市場上是比較困難的。不過，我們可以通過將兩個獨立的運放組合成一個復合放大器來實現(xiàn)這一目標。

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復合放大器的構成

復合放大器由兩個具有不同特性的獨立運放組成。如圖1所示，放大器1是低噪聲精密放大器ADA4091 - 2，放大器2是AD8397，它具有高輸出功率，可用于驅動其他模塊。

圖1中復合放大器的配置類似于非反相放大器，外部有兩個電阻R1和R2。串聯(lián)的兩個運放應被視為一個整體，總增益（G）通過電阻比設置，即(G = 1 + R1 / R2)。R3與R4的比例變化，也就是放大器2的增益（G2）變化，會影響放大器1的增益或輸出電平，但R3和R4不會改變有效總增益。如果G2減小，G1會增大。

帶寬擴展

復合放大器的另一個特點是具有更高的帶寬。這種組合的帶寬比單個運放更高。例如，使用兩個增益帶寬積（GBWP）為100 MHz、增益(G = 1)的相同運放，可實現(xiàn)約27%更高的 - 3 dB帶寬。隨著增益增加，這種效果會更明顯，但有一定限度，超過該限度可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。同樣，兩個增益分配不均也會有影響，一般來說，當增益在兩個運放間均勻分配時，可獲得最大帶寬。以(GBWP = 100 MHz)、(G2 = 3.16)、(G = 10)為例，增益為10時，復合放大器的 - 3 dB帶寬約為單個運放的300%。

這是因為當增益均勻分配時，G2會使放大器1獲得相同的有效增益，而每個獨立運放的開環(huán)增益更高。例如，增益從40 dB降至20 dB時，兩個運放都在開環(huán)曲線的較低區(qū)域工作，從而使復合放大器在相同增益下比單個運放具有更高的帶寬。

直流精度和噪聲

在典型的運放電路中，部分輸出會反饋到反相輸入端，通過反饋路徑校正輸出誤差以提高精度。圖1中的組合為放大器2提供了單獨的反饋路徑，雖然它在放大器1的反饋路徑內(nèi)。整體輸出因放大器2會產(chǎn)生較大誤差，但反饋到放大器1時會被校正，從而保留了放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第一個放大器的誤差成比例，與第二個放大器的失調(diào)無關。

噪聲分量也通過反饋進行校正，交流信號還取決于兩個放大器級的帶寬儲備。只要第一級放大器有足夠的帶寬，它就能校正放大器2的噪聲分量，此時其輸出電壓噪聲密度占主導。但如果放大器1的帶寬超出范圍，第二個放大器的噪聲分量就會占主導。若放大器1的帶寬過高或遠高于放大器2，會導致額外的噪聲峰值出現(xiàn)在復合放大器的輸出端。

結論

通過串聯(lián)兩個運放，可以結合它們的最佳特性，實現(xiàn)單個運放無法達到的效果。例如，可獲得具有高輸出功率和更高帶寬的高精度放大器。圖1所示的電路中，軌到軌放大器AD8397（ - 3 dB帶寬 = 69 MHz）與精密放大器ADA4091 - 2（ - 3 dB帶寬 = 1.2 MHz）組合后，在增益(G = 10)時，帶寬是它們各自帶寬的兩倍多。此外，AD8397與各種精密放大器組合還能實現(xiàn)降噪和總諧波失真（THD）的改善。不過，在設計時，必須通過正確的放大器配置確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。綜合考慮所有因素，復合放大器為滿足廣泛且苛刻的應用需求提供了眾多可能性。大家在實際設計中，不妨嘗試這種方法，看看是否能解決你遇到的難題呢？