运算放大器的串联：如何同时实现高精度和高输出功率

工程师经常面临各种挑战，需要不断开发新的应用程序来满足广泛的需求。一般来说，很难同时满足这些需求。
例如，一个高速，高压运算放大器（op amp），还具有高输出功率，并且具有同样出色的直流精度，噪声和失真性能。市场上几乎没有具有所有这些特性的运算放大器。
但是，您可以使用两个单独的放大器来构建此放大器，以形成一个复合放大器。将两个运算放大器组合在一起可以将它们各自的优势整合为一个。
这样，与具有相同增益的单个放大器相比，两个运算放大器的组合可以实现更高的带宽。复合放大器复合放大器由两个独立的放大器组成，每个放大器具有不同的特性。
图1显示了这种结构。放大器1是低噪声精密放大器ADA4091-2。
在本示例中，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.由两个串联的运算放大器组成的复合放大器的示意图。
图1所示的复合放大器的配置与同相放大器的配置相似。后者具有两个外部工作电阻R1和R2。
可以将串联连接的两个运算放大器看作一个放大器。总增益（G）由电阻比G = 1 + R1 / R2设置。
如果R3与R4的电阻比发生变化，它将影响放大器2（G2）的增益，以及放大器1（G1）的增益或输出电平。但是，R3和R4不会改变有效的总增益。
如果G2减少，则G1将增加。带宽扩展复合放大器的另一个特点是它具有更高的带宽。
与单个放大器相比，复合放大器的带宽更高。因此，如果使用两个相同的放大器，其增益带宽积（GBWP）为100 MHz，增益G = 1，则–3 dB带宽可以增加大约27％。
增益越高，效果越明显，但是最高只能达到一定的极限。一旦超过限制，它可能会变得不稳定。
当两个增益分布不均时，也会出现这种不稳定性。一般而言，当两个放大器的增益均等分布时，可以获得最大带宽。
使用以上值（GBWP = 100 MHz，G2 = 3.16，G = 10），当总增益为10时，两个放大器组合的–3 dB带宽可以达到单个放大器的3倍。该描述相对简单。
当增益均匀分配时，G2也将获得与放大器1相同的有效增益。但是，每个独立放大器的开环增益都更高。
在低增益下（例如，从40 dB到20 db），两个放大器都将在开环曲线的低区域内工作（见图2）。这样，与具有相同增益的单个放大器相比，复合放大器可以获得更高的带宽。
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，部分输出被馈送到反相输入。这样，可以通过反馈路径校正输出误差以提高精度。
图1所示的组合还为放大器2提供了一条单独的反馈路径，尽管它也在放大器1的反馈路径中。由于放大器2的影响，整体配置的输出将具有较大的误差，但该误差将得到纠正。
当它被反馈到放大器1时。因此，可以保持放大器1的精度。
输出失调仅与第一放大器的输入失调误差成正比，与第二放大器的失调电压无关。噪声分量也是如此。
它也可以通过反馈进行校正，其中AC信号与两个放大器级的带宽预留有关。只要第一级放大器具有足够的带宽，它将校正放大器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，如果超过了放大器1的带宽，则第二个放大器的噪声成分将开始占主导地位。
如果放大器1的带宽太高或比放大器2的带宽高得多，则会出现问题。这可能会在复合放大器的输出中引起额外的噪声峰值。
结论通过串联连接两个放大器，可以将两个放大器的优异特性结合起来，以获得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高带宽的高精度放大器。
图1所示的示例电路使用轨到轨放大器AD8397（–3 dB带宽= 69 MHz）和精密放大器ADA4091。

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