运算放大器的串联：如何在同时实现更高输出功率的精度

工程师经常面临开发应用程序以满足各种要求的挑战。通常，这些要求很难同时满足。一个例子是找到一种非常快速的高压运算放大器（op amp），它具有高输出功率，并且在直流精度、噪声和失真方面具有同样出色的特性。兼具所有这些特性的运算放大器在市场上很少见。但是，可以从两个单独的放大器中自己构建这样的放大器，从而创建一个复合放大器。当组合两个运算放大器时，可以结合每个运算放大器的正特性。这样，在相同增益下，与单个放大器相比，可以实现更高的带宽。

复合放大器

复合放大器由两个单独的放大器组成，通常具有不同的特性。这种安排如图1所示。放大器1代表低噪声精密放大器ADA4091-2。放大器2（在本例中为AD8397）具有高输出功率，用于驱动其他模块。

图1.两个运算放大器串联起来形成复合放大器的示意图。

图1所示复合放大器的配置类似于同相放大器的配置，其中两个电阻R1和R2在外部起作用。串联的两个运算放大器应被视为单个放大器。总增益 （G） 通过电阻比 G = 1 + R1/R2 设置。R3与R4之比的变化（实际上，放大器2（G2）的增益）也会影响放大器1（G1）的增益或输出电平。有效总增益不会因R3和R4而改变。如果 G2 降低，G1 增加。

带宽扩展

复合放大器的另一个特点是带宽更高。这种组合的带宽高于每个单独的放大器。因此，如果使用两个相同的放大器，增益带宽积（GBWP）为100 MHz，增益G = 1，则可以实现大约27%的–3 dB带宽。随着增益的增加，这种效果变得更加明显，但仅限于一定的限制。一旦超过限制，可能会出现不稳定。这也适用于两种收益分配不均的情况。通常，最大带宽是在两个放大器上平均分配增益时产生的。使用上述值（GBWP = 100 MHz，G2 = 3.16，G = 10），增益为10时，可以实现–3 dB带宽，其带宽约为单个放大器的300%。

解释相对简单。在均匀分布增益的情况下，G2也导致放大器1的有效增益相同。但是，每个放大器的开环增益要高得多。增益降低后（例如，从40 dB降至20 dB），两个放大器现在都作用在开环曲线的较低区域（见图2）。这样，在相同增益下，复合放大器产生的带宽高于单个放大器。

图2.通过复合放大器扩展带宽。

直流精度和噪声

在典型的运算放大器电路中，部分输出被反馈到反相输入。通过这种方式，可以通过反馈路径校正输出误差，以提高精度。图1所示的组合也为放大器2提供了单独的反馈路径，尽管它位于放大器1的反馈路径中。由于放大器2，整体布置的输出包含较大的误差，但当它们反馈到放大器1时，这些误差将被校正。因此，放大器1的精度得以保留。输出失调仅与第一个放大器的误差成比例，与第二个放大器的失调无关。

这同样适用于噪声分量。它还通过反馈进行校正，其中交流信号也取决于两个放大器级的带宽储备。只要第一放大器级具有足够的带宽，它就可以校正放大器2的噪声成分。到目前为止，其输出电压噪声密度占主导地位。但是，如果超过放大器1的带宽，则第二个放大器的噪声分量开始占主导地位。如果放大器1的带宽过高或远高于放大器2的带宽，就会出现问题。这可能导致额外的噪声峰值，可以在复合放大器的输出端看到。

结论

通过两个串联的放大器的组合，可以结合两者的最佳特性，同时实现单个运算放大器无法实现的结果。例如，可以实现具有高输出功率和更高带宽的高精度放大器。图1所示电路示例包括轨到轨放大器AD8397（–3 dB带宽= 69 MHz）和精密放大器ADA4091-2（–3 dB带宽= 1.2 MHz），两者组合的带宽是各自带宽（G = 10时）的两倍多。此外，通过结合AD8397和各种精密放大器，可以实现降噪和THD改善。但是，在设计中，还必须通过正确的放大器配置来确保系统稳定性。如果考虑所有标准，复合放大器为涵盖非常广泛和苛刻的应用范围提供了多种可能性。

审核编辑：郭婷