面對似乎不存在解決方案的應用程序是正常的，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現有產品性能的解決方案。例如，應用可能需要具有高輸出驅動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上隨處可見，事實上，其中許多都是如此。但是，單個放大器可能不存在所有要求。當面對這個問題時，有些人會認為我們不可能滿足此類應用的需求，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，也許會犧牲一些要求。幸運的是，這并不完全正確。有一個復合放大器形式的解決方案，本文將展示它是如何實現的。

復合放大器

復合放大器是兩個獨立放大器的排列方式，其配置方式是實現每個單獨放大器的優點，同時減少每個放大器的缺點。

圖1.簡單的復合放大器配置。

參考圖1，AMP1應具有出色的直流精度以及應用所需的噪聲和失真性能。AMP2 應提供輸出驅動要求。在這種布置中，具有所需輸出規格的放大器（AMP2）放置在具有所需輸入規格的放大器（AMP1）的反饋環路內。將討論這種安排的一些技術和好處。

設置增益

最初遇到復合放大器時，可能出現的第一個問題是如何設置增益。為了解決這個問題，將復合放大器視為包含在大三角形內的單個同相運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，那么同相運算放大器的增益為1 + R1/R2。揭示三角形內的復合配置不會改變任何東西——整個事物的增益仍然由 R1 和 R2 的比率控制。

在這種配置中，很容易認為通過R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平，表明復合增益的變化，但事實并非如此。通過R3和R4增加AMP2附近的增益只會降低AMP1的有效增益和輸出電平，從而使復合輸出（AMP2輸出）保持不變。或者，降低AMP2周圍的增益將有助于增加AMP1的有效增益。因此，一般來說，復合放大器的增益僅取決于R1和R2。

圖2.復合放大器被視為單個放大器。

本文將討論實現復合放大器配置時的主要優點和設計考慮因素。將重點介紹對帶寬、直流精度、噪聲和失真的影響。

帶寬擴展

與配置相同增益的單個放大器相比，實現復合放大器的主要優點之一是帶寬更大。

參考圖3和圖4，假設我們有兩個獨立的放大器，每個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.單位增益下的復合放大器。

圖4.單位增益時帶寬改善 –3 dB。

圖5所示為增益為10的復合放大器。注意，通過R1和R2將復合增益設置為10。AMP2周圍的增益設置為約3.16，迫使AMP1的有效增益相同。在兩個放大器之間平均分配增益可產生最大可能的帶寬。

圖5.復合放大器配置為增益 = 10。

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

圖6.增益 = 10 時帶寬提高 –3 dB。

有關具體示例，請參閱圖 7 和圖 8。我們要求系統增益為40 dB，并將使用兩個相同的放大器，每個放大器的開環增益為80 dB，GBWP為100 MHz。

圖7.增益分離以獲得最大帶寬。

圖8.單個放大器的預期響應。

為了實現組合的最高帶寬，我們將在兩個放大器之間平均分配所需的系統增益，使每個放大器的增益為20 dB。因此，將AMP2的閉環增益設置為20 dB也會強制AMP1的有效閉環增益為20 dB。在這種增益配置下，兩個放大器在開環曲線上的工作頻率低于任何一個放大器在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，該復合器件在增益為40 dB時將具有更高的帶寬。

雖然這聽起來相對簡單且易于實現，但在設計復合放大器時應適當小心，使其具有盡可能高的帶寬，同時又不犧牲組合的穩定性。在放大器不理想且可能不相同的實際應用中，必須確保適當的增益布置以保持穩定性。另外，請注意，復合增益將以–40 dB/十倍頻程的速度滾降，因此在兩級之間分配增益時必須小心。

在某些情況下，可能無法平均分配增益。此時，兩個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，否則將導致峰值和可能的不穩定。在AMP1 GBWP必須大于AMP2 GBWP的情況下，通常可以通過在兩個放大器之間重新分配增益來糾正不穩定性。在這種情況下，降低AMP2的增益會導致AMP1的有效增益增加。結果是，AMP1閉環帶寬隨著其在開環曲線上的較高工作而降低，而AMP2閉環帶寬隨著其在開環曲線上的較低工作而增加。如果充分應用AMP1的減慢和AMP2的加速，復合組合的穩定性將得到恢復。

本文選擇AD8397作為輸出級（AMP2），與AMP1的各種精密放大器接口，以展示復合放大器的優勢。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.運算放大器反饋環路。

在典型的運算放大器電路中，一部分輸出被反饋到反相輸入。在環路中產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于輸入乘以閉環增益（A）的保真度。

圖 10.復合放大器反饋回路。

對于復合放大器，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。輸出現在包含由于 A2 引起的較大誤差，這些誤差將反饋給 A1 并進行校正。較大的校正信號可保留A1的精度。

該復合反饋環路的效果在電路中可以清楚地看到，結果如圖11和圖12所示。圖11所示為由兩個理想運算放大器組成的復合放大器。復合增益為100，AMP2增益設置為5。V操作系統1表示AMP1的50 μV失調電壓，而V操作系統2表示AMP2的可變失調電壓。圖 12 顯示，作為 V操作系統2從0 mV掃描至100 mV，輸出失調不受AMP2貢獻的誤差幅度（失調）的影響。相反，輸出失調僅與AMP1的誤差（50 μV乘以復合增益100）成正比，并且無論V值如何，均保持在5 mV操作系統2. 如果沒有復合環路，預計輸出誤差將高達500 mV。

圖 11.偏移誤差貢獻。

圖 12.復合輸出失調與 V 的關系操作系統2.

噪聲和失真

復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行校正，但是，在交流參數的情況下，兩級的帶寬也會發揮作用。我們將看一個使用輸出噪聲的例子來說明這一點，并理解失真消除以大致相同的方式發生。

參考圖13中的示例電路，只要第一級（AMP1）具有足夠的帶寬，它就會校正第二級（AMP2）的較大噪聲。隨著AMP1開始耗盡帶寬，來自AMP2的噪聲將開始占主導地位。但是，如果AMP1的帶寬過多，并且頻率響應中存在峰值，則會在相同頻率下產生噪聲峰值。

圖 13.復合放大器的噪聲源。

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帶寬的頻率響應以及單個固定帶寬下AMP2的頻率響應。回想一下增益分割部分，100 （40 dB） 的復合增益和 5 （14 dB） 的 AMP2 增益將強制有效 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的復合增益等于100 nV/√Hz）。只要 AMP1 有足夠的帶寬來補償 AMP2，這種情況就會持續下去。

對于AMP1帶寬低于AMP2的情況，隨著AMP1帶寬開始滾動，噪聲密度將開始由AMP2主導。這可以從圖14的兩條跡線中看到，當噪聲攀升至200 nV/√Hz（40 nV/√Hz乘以AMP2增益5）時。最后，如果AMP1的帶寬比AMP2大得多，導致頻率響應出現峰值，則復合放大器在相同頻率下將出現噪聲峰值，如圖14所示。由于頻率響應峰值導致增益過大，噪聲峰值的幅度也會更高。

圖 14.噪聲性能與第 1 級帶寬的關系。

表3和表4顯示了在AD8397復合放大器中使用各種精密放大器作為第一級時的有效降噪和THD+n改善。

系統級應用

圖 15.DAC輸出驅動器的應用電路

在本例中，DAC輸出緩沖器應用的目標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轉換為電壓，然后轉換為復合放大器的輸入以進行更大放大。當AD8397在輸出端時，可以達到輸出要求。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，以滿足應用所需的出色直流要求和高輸出能力驅動。

圖 16.V外和我外適用于AD8599和AD8397復合放大器。

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動規格。表6和表7中的放大器也適用于此應用。

結論

使用復合放大器，兩個放大器的結合實現了每個放大器提供的最佳規格，同時彌補了它們的局限性。具有高輸出驅動能力的放大器與精密前端放大器相結合，可以為具有挑戰性要求的應用提供解決方案。設計時，請始終考慮穩定性、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滿足廣泛的應用。通過適當的實施和組合，為應用程序取得適當的平衡是高度可以實現的。

審核編輯：郭婷