作者：Jino Loquinario ADI公司
简介
要开发的运用好像不存在处理计划是很正常的，乃至几乎是情理之中的。为了满意运用要求，咱们需求想出一种超出市场上现有产品功能的处理计划。例如，运用或许需求具有高速、高电压、高输出驱动才能的扩大器，一起还或许要求超卓的直流精度、低噪声、低失真等。
满意速度和输出电压/电流要求的扩大器以及具有超卓直流精度的扩大器在市场上很简略取得，现实上许多都是如此。可是，所有这些要求或许无法经过单个扩大器来满意。当遇到这样的问题时，有些人会以为咱们不或许满意此类运用的要求，咱们有必要满意于平凡的处理计划，要么选用精细扩大器，要么选用高速扩大器，或许要献身一些要求。走运的是，这并非全然正确。对此，有一种处理计划是选用复合扩大器，本文将阐明它是怎么完成的。
复合扩大器
复合扩大器由两个独立的扩大器组成，其装备方法使得人们既能完成每个扩大器的长处，又能削弱每个扩大器的缺陷。
图1.简略复合扩大器装备
参阅图1，AMP1具有运用所需的超卓直流精度以及噪声和失真功能。AMP2满意输出驱动要求。在这种装备中，具有所需输出标准的扩大器（AMP2）放置在具有所需输入标准的扩大器（AMP1）的反应环路中。下面将评论这种装备触及的一些技能及其好处。
设置增益
初遇复合扩大器时，榜首个问题或许是怎么设置增益。为了处理这个问题，将复合扩大器视为包括在大三角形内的单个同相运算扩大器是有协助的，如图2所示。幻想大三角形是黑色的，咱们无法看清里边的东西，那么同相运算扩大器的增益便是1 + R1/R2。揭开大三角形内部的复合装备并没有改动任何东西，整个电路的增益依然由R1和R2的比率操控。
在这种装备中，人们很简略以为经过R3和R4改动AMP2的增益会影响AMP2的输出电平，标明复合增益会发生变化，但现实并非如此。经过R3和R4进步AMP2周围的增益只会下降AMP1的有用增益和输出电平，而复合输出（AMP2输出）坚持不变。或许，下降AMP2周围的增益将会进步AMP1的有用增益。因而，复合扩大器的增益一般仅取决于R1和R2。
图2.复合扩大器被视为单个扩大器
本文将评论完成复合扩大器装备的首要长处和规划考虑要素。本文将要点阐明其对带宽、直流精度、噪声和失真的影响。
带宽扩展
与装备为相同增益的单个扩大器比较，完成复合扩大器的首要长处之一是带宽更宽。
参阅图3和图4，假定咱们有两个独立的扩大器，每个扩大器的增益带宽积（GBWP）为100 MHz。将它们组组成一个复合装备，整个组合的有用GBWP将会添加。在单位增益时，复合扩大器的-3 dB带宽要高出约27%，尽管有少数峰化。在更高增益下，这种优势变得越发显着。
图3.单位增益复合扩大器
图4.单位增益时的-3 dB带宽改进状况
图5显现了增益为10的复合扩大器。请留意，复合增益经过R1和R2设置为10。AMP2周围的增益设置为约3.16，迫使AMP1的有用增益与此相同。在两个扩大器之间平均分配增益能够发生最大或许的带宽。
图5.复合扩大器的增益装备为10
图6比较了增益为10的单个扩大器的频率呼应与装备为相同增益的复合扩大器的频率呼应。在这种状况下，复合扩大器的-3 dB带宽高出约300%。这怎么或许？
图6.增益为10时的-3 dB带宽改进状况
有关详细示例，请参阅图7和图8。咱们要求体系增益为40 dB，运用两个相同的扩大器，每个扩大器的开环增益为80 dB，GBWP为100 MHz。
图7.分配增益以取得最大带宽
图8.单个扩大器的预期呼应
为使组合完成最高或许带宽，咱们将在两个扩大器之间平均分配所需的体系增益，每个扩大器需进步20 dB的增益。因而，将AMP2的闭环增益设置为20 dB会迫使AMP1的有用闭环增益相同到达20 dB。选用这种增益装备，两个扩大器在开环曲线上的作业点均低于任何一个在40 dB增益时的作业点。因而，与相同增益的单个扩大器处理计划比较，复合扩大器在增益为40 dB时将具有更高的带宽。
尽管看似相对简略且易于完成，但在规划复合扩大器时应采纳恰当的办法来取得尽或许高的带宽，一起不能献身组合的稳定性。在实践运用中，扩大器有非抱负特性，而且或许不完全相同，这就要求运用恰当的增益装备来坚持稳定性。别的应留意，复合增益将以-40 dB/十倍频程的速度滚降，因而在两级之间分配增益时有必要当心。
在某些状况下，平均分配增益或许无法做到。就此而言，要在两个扩大器之间平等分配增益，AMP2的GBWP有必要一直大于或等于AMP1的GBWP，否则将导致峰化，而且或许导致电路不稳定。在AMP1 GBWP有必要大于AMP2 GBWP的状况下，在两个扩大器之间重新分配增益一般能够校对不稳定性。在这种状况下，下降AMP2的增益会导致AMP1的有用增益进步。成果是AMP1闭环带宽下降，因为其在开环曲线上的作业点进步，而AMP2闭环带宽进步，因为其在开环曲线上的作业点下降。假如充沛运用AMP1的减速和AMP2的加快，复合扩大器的稳定性就会康复。
本文选用AD8397作为输出级（AMP2），与各种精度的扩大器AMP1衔接以展现复合扩大器的优势。AD8397是一款高输出电流扩大器，可供给310 mA电流。
同扩大器组合的带宽扩展，增益为10，VOUT = 10 V p-p
坚持直流精度
图9.运算扩大器反应环路
在典型运算扩大器电路中，输出的一部分会被反应到反相输入。输出端存在的差错（环路中发生）乘以反应因子（β），然后予以扣除。这有助于坚持输出相关于输入乘以闭环增益（A）的保真度。
图10.复合扩大器反应环路
关于复合扩大器，扩大器A2有自己的反应环路，但A2及其反应环路都在A1的较大反应环路内。输出现在包括A2引起的较大差错，这些差错被反应到A1并进行校对。较大的校对信号导致A1的精度得以保存。
在图11所示电路和图12所示成果中能够清楚地看到该复合反应环路的影响。图11显现了一个由两个抱负运算扩大器组成的复合扩大器。复合增益为100，AMP2增益设置为5。VOS1表明AMP1的50μV失调电压，而VOS2表明AMP2的可变失调电压。图12显现，当VOS2从0 mV扫描到100 mV时，输出失调不受AMP2奉献的差错（失调）起伏的影响。相反，输出失调仅与AMP1的差错（50μV乘以复合增益100）成份额，而且不管VOS2的值是多少，它都坚持在5 mV。假如没有复合环路，咱们估计输出差错会高达500 mV。
图11.失调差错奉献
图12.复合输出失调与VOS2的联系
表2.增益为100时的输出失调电压
噪声和失真
复合扩大器的输出噪声和谐波失真以与直流差错相似的方法进行校对，但关于沟通参数，两级的带宽也会起作用。咱们将举一个比如，运用输出噪声来阐明这一点；一起应了解，失真消除方法大致相同。
参阅图13所示电路，只需榜首级（AMP1）有满意的带宽，它就会校对第二级（AMP2）的较大噪声。当AMP1的带宽开端耗尽时，来自AMP2的噪声将开端占主导地位。可是，假如AMP1带宽过多，而且频率呼应中存在峰化，那么在相同频率处将发生噪声峰值。
图13.复合扩大器的噪声源
图14.噪声功能与榜首级带宽的联系
关于此例，图13中的电阻R5和R6别离代表AMP1和AMP2的固有噪声源。图14的上部曲线显现了各种AMP1带宽的频率呼应以及单一固定带宽的AMP2的频率呼应。回想增益分配部分，若复合增益为100 （40 dB），AMP2增益为5 （14 dB），则AMP1的有用增益将为20 （26 dB），如此处所示。
下部曲线显现了每种状况的宽带输出噪声密度。在低频时，输出噪声密度以AMP1为主（1 nV/√HZ乘以100的复合增益等于100 nV/√HZ）。只需AMP1有满意的带宽来补偿AMP2，这种状况就会继续下去。
若AMP1带宽小于AMP2带宽，当AMP1带宽开端滚降时，噪声密度将开端由AMP2主导。这能够在图14的两条迹线中看到，噪声上升至200 nV/√HZ（40 nV/√HZ乘以AMP2的增益5）。最终，若AMP1具有比AMP2大得多的带宽，导致频率呼应出现峰化，则复合扩大器将在相同频率处出现噪声峰值，如图14所示。因为频率呼应峰化引起过大增益，噪声峰值的起伏也会更高。
表3和表4别离显现了运用不同精细扩大器作为榜首级与AD8397构成复合扩大器时的有用噪声下降状况和THD+n改进状况。
表3.运用不同前端扩大器的降噪状况，有用增益 = 100，f = 1 kHz
表4.运用不同前端扩大器的THD+n比较，有用增益 = 10，f = 1 kHz，ILOAD = 200 mA
体系级运用
在此示例中，DAC输出缓冲器运用的方针是为低阻抗探针供给10 V p-p的输出，电流为500 mA p-p，要求低噪声、低失真、超卓的直流精度以及尽或许高的带宽。DAC输出的4 mA至20 mA电流将经过TIA转换为电压，然后转换为复合扩大器的输入以进一步扩大。输出端的AD8397可满意输出要求。AD8397是一款轨到轨、高输出电流扩大器，能够供给所需的输出电流。
图15.DAC输出驱动器的运用电路
AMP1可所以任何具有装备所需直流精度的精细扩大器。在此运用中，各种前端精细扩大器都能与AD8397（以及其他高输出电流扩大器）合作运用，以完成运用所需的超卓直流精度和高输出驱动才能。
图16.AD8599和AD8397复合扩大器的VOUT和IOUT
表5.AD8599+AD8397复合扩大器标准
此装备不限于AD8397和AD8599，其他扩大器组合也是可行的，只需满意输出驱动要求并供给超卓的直流精度即可。表6和表7中的扩大器也合适此运用。
表6.具有高输出电流驱动才能的扩大器
表7.精细前端扩大器
定论
两个扩大器结组成复合扩大器，可完成每个扩大器的最佳标准，一起补偿各自的局限性。具有高输出驱动才能的扩大器与精细前端扩大器相结合，可为十分扎手的运用供给处理计划。设计时必须考虑稳定性、噪声峰化、带宽和压摆率，以取得最佳功能。有许多或许的计划来满意各种运用需求。正确的施行和组合能够完成运用的恰当平衡。
称谢
Zoltan Frasch和Bruce PeTIpas为本文做出了技能奉献，作者对此表明感谢。
作者简介
Jino Loquinario 2014年参加ADI公司，现在担任线性产品与处理计划部分的产品运用工程师。他结业于菲律宾科技大学米沙鄢分校，获电子工程学士学位。
