运放串联：如何同时实现高精度与高输出功率

在电子工程领域，工程师们常常面临开发满足广泛需求应用的挑战，而且这些需求往往难以同时满足。例如，要找到一款兼具高速、高电压、高输出功率，同时在直流精度、噪声和失真方面表现出色的运算放大器（运放），在市场上是比较困难的。不过，我们可以通过将两个独立的运放组合成一个复合放大器来实现这一目标。

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复合放大器的构成

复合放大器由两个具有不同特性的独立运放组成。如图1所示，放大器1是低噪声精密放大器ADA4091 - 2，放大器2是AD8397，它具有高输出功率，可用于驱动其他模块。

图1中复合放大器的配置类似于非反相放大器，外部有两个电阻R1和R2。串联的两个运放应被视为一个整体，总增益（G）通过电阻比设置，即(G = 1 + R1 / R2)。R3与R4的比例变化，也就是放大器2的增益（G2）变化，会影响放大器1的增益或输出电平，但R3和R4不会改变有效总增益。如果G2减小，G1会增大。

带宽扩展

复合放大器的另一个特点是具有更高的带宽。这种组合的带宽比单个运放更高。例如，使用两个增益带宽积（GBWP）为100 MHz、增益(G = 1)的相同运放，可实现约27%更高的 - 3 dB带宽。随着增益增加，这种效果会更明显，但有一定限度，超过该限度可能会出现不稳定情况。同样，两个增益分配不均也会有影响，一般来说，当增益在两个运放间均匀分配时，可获得最大带宽。以(GBWP = 100 MHz)、(G2 = 3.16)、(G = 10)为例，增益为10时，复合放大器的 - 3 dB带宽约为单个运放的300%。

这是因为当增益均匀分配时，G2会使放大器1获得相同的有效增益，而每个独立运放的开环增益更高。例如，增益从40 dB降至20 dB时，两个运放都在开环曲线的较低区域工作，从而使复合放大器在相同增益下比单个运放具有更高的带宽。

直流精度和噪声

在典型的运放电路中，部分输出会反馈到反相输入端，通过反馈路径校正输出误差以提高精度。图1中的组合为放大器2提供了单独的反馈路径，虽然它在放大器1的反馈路径内。整体输出因放大器2会产生较大误差，但反馈到放大器1时会被校正，从而保留了放大器1的精度。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。

噪声分量也通过反馈进行校正，交流信号还取决于两个放大器级的带宽储备。只要第一级放大器有足够的带宽，它就能校正放大器2的噪声分量，此时其输出电压噪声密度占主导。但如果放大器1的带宽超出范围，第二个放大器的噪声分量就会占主导。若放大器1的带宽过高或远高于放大器2，会导致额外的噪声峰值出现在复合放大器的输出端。

结论

通过串联两个运放，可以结合它们的最佳特性，实现单个运放无法达到的效果。例如，可获得具有高输出功率和更高带宽的高精度放大器。图1所示的电路中，轨到轨放大器AD8397（ - 3 dB带宽 = 69 MHz）与精密放大器ADA4091 - 2（ - 3 dB带宽 = 1.2 MHz）组合后，在增益(G = 10)时，带宽是它们各自带宽的两倍多。此外，AD8397与各种精密放大器组合还能实现降噪和总谐波失真（THD）的改善。不过，在设计时，必须通过正确的放大器配置确保系统稳定性。综合考虑所有因素，复合放大器为满足广泛且苛刻的应用需求提供了众多可能性。大家在实际设计中，不妨尝试这种方法，看看是否能解决你遇到的难题呢？