複合放大器如何實現高精準度的高輸出驅動能力？
2019-11-20
作者
Jino Loquinario，ADI產品應用工程師
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準度的放大器在市場上很容易獲得，但所有這些要求可能無法透過單個放大器來滿足。
要開發的應用似乎不存在解決方案是很正常，甚至幾乎是情理之中的。為了滿足應用要求，需要想出一種超出市場上現有產品性能的解決方案。例如，應用可能需要具有高速、高電壓、高輸出驅動能力的放大器，同時還可能要求出色的直流精準度、低雜訊、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準度的放大器在市場上很容易獲得，事實上很多都是如此，但是，所有這些要求可能無法透過單個放大器來滿足。當遇到這樣的問題時，有些人會認為不可能滿足此類應用的要求，必須滿足於平庸的解決方案，要不選用精密放大器，要不就選高速放大器，可能得犧牲一些需求。幸運的是，這並非全然正確，對此，有一種解決方案是採用複合放大器，本文將說明它如何實現。
複合放大器
複合放大器由兩個獨立的放大器組成，其配置方式使得人們既能實現每個放大器的優點，又能削弱每個放大器的缺點。
參考圖1，AMP1具有應用所需的出色直流精準度，以及雜訊和失真性能，AMP2滿足輸出驅動要求。在這種配置中，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)的回饋環路中，以下將討論這種配置涉及的一些技術及其益處。
圖1 簡單複合放大器配置。
設置增益
初遇複合放大器時，第一個問題可能是如何設置增益。為了解決這個問題，將複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。想像大三角形是黑色，無法看清裡面的東西，那麼同相運算放大器的增益就是1+R1/R2。揭開大三角形內部的複合配置並沒有改變任何東西，整個電路的增益仍然由R1和R2的比例控制。
圖2 複合放大器被視為單個放大器。
在這種配置中，人們很容易認為利用R3和R4改變AMP2的增益會影響AMP2的輸出電平，並使複合增益發生變化，但事實並非如此。透過R3和R4提高AMP2周圍的增益只會降低AMP1的有效增益和輸出電平，而複合輸出(AMP2輸出)保持不變。或者，降低AMP2周圍的增益將會提高AMP1的有效增益，因此，複合放大器的增益一般僅取決於R1和R2。
本文將討論實現複合放大器配置的主要優點和設計考慮因素，並重點說明其對頻寬、直流精準度、雜訊和失真的影響。
頻寬擴展
與配置為相同增益的單個放大器相比，實現複合放大器的主要優點之一是頻寬更寬。參考圖3和圖4，假設有兩個獨立的放大器，每個放大器的增益頻寬積(GBWP)為100MHz。將它們組合成一個複合配置，整個組合的有效GBWP將會增加。在單位增益時，複合放大器的-3dB頻寬高出約27%，儘管有少量峰化，在更高增益下，這種優勢變得越明顯。
圖3 單位增益複合放大器。
圖4 單位增益時的-3dB頻寬改善情況。
圖5顯示了增益為10的複合放大器。請注意，複合增益透過R1和R2設置為10。AMP2周圍的增益設置為約3.16，迫使AMP1的有效增益與此相同，在兩個放大器之間平均分配增益可以產生最大可能的頻寬。
圖5 複合放大器的增益配置為10。
圖6比較了增益為10的單個放大器頻率回應與配置為同樣增益的複合放大器頻率回應。在這種情況下，複合放大器的-3dB頻寬高出約300%，這怎麼可能？
圖6 增益為10時的-3dB頻寬改善情況。
有關具體示例，請參閱圖7和圖8。本文要求系統增益為40dB，使用兩個相同的放大器，每個放大器的開環增益為80dB，GBWP為100MHz。
圖7 分配增益以獲得最大頻寬。
圖8 單個放大器的預期回應。
為使組合實現最高可能頻寬，本文將在兩個放大器之間平均分配所需的系統增益，每個放大器需提高20dB的增益。因此，將AMP2的閉環增益設置為20dB會迫使AMP1的有效閉環增益同樣達到20dB。採用這種增益配置，兩個放大器在開環曲線上的工作點均低於任何一個在40dB增益時的工作點，因此，與同樣增益的單個放大器解決方案相比，複合放大器在增益為40dB時將具有更高的頻寬。
雖然看似相對簡單且易於實現，但在設計複合放大器時應採取適當的措施來獲得盡可能高的頻寬，同時不能犧牲組合的穩定性。在實際應用中，放大器有非理想特性，而且可能不完全相同，這就要求使用適當的增益配置來保持穩定性。另外應注意，複合增益將以-40dB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，平均分配增益可能無法做到。就此而言，要在兩個放大器之間均等分配增益，AMP2的GBWP必須始終大於或等於AMP1的GBWP，否則將導致峰化，並且可能導致電路不穩定。在AMP1 GBWP必須大於AMP2 GBWP的情況下，在兩個放大器之間重新分配增益通常可以校正不穩定性，在這種情況下，降低AMP2的增益會導致AMP1的有效增益提高。結果是AMP1閉環頻寬降低，因為其在開環曲線上的工作點提高，而AMP2閉環頻寬提高，因為其在開環曲線上的工作點降低，如果充分應用AMP1的減速和AMP2的加速，複合放大器的穩定性就會恢復。
本文選用AD8397作為輸出級(AMP2)，與各種精準度的放大器AMP1連接以展示複合放大器的優勢。
表1 同放大器組合的頻寬擴展，增益為10，VOUT = 10Vp-p。
圖9 運算放大器回饋環路。
保持直流精準度
在典型運算放大器電路中，輸出的一部分會被回饋到反相輸入。輸出端存在的誤差(環路中產生)乘以回饋因數(β)，然後予以扣除，這有助於保持輸出相對於輸入乘以閉環增益(A)的保真度。
圖10 複合放大器回饋環路。
對於複合放大器，放大器A2有自己的回饋環路，但A2及其回饋環路都在A1的較大回饋環路內。輸出現在包含A2引起的較大誤差，這些誤差被回饋到A1並進行校正，較大的校正訊號導致A1的精準度得以保留。
在圖11所示電路和圖12所示結果中可以清楚地看到該複合回饋環路的影響。圖11顯示了一個由兩個理想運算放大器組成的複合放大器，複合增益為100，AMP2增益設置為5。VOS1表示AMP1的50μV失調電壓，而VOS2表示AMP2的可變失調電壓。圖12顯示，當VOS2從0mV掃描到100mV時，輸出失調不受AMP2貢獻的誤差(失調)幅度的影響。相反，輸出失調僅與AMP1的誤差(50μV乘以複合增益100)成比例，並且無論VOS2的值是多少，它都保持在5mV，如果沒有複合環路，預計輸出誤差會高達500mV。
圖11 失調誤差貢獻。
圖12 複合輸出失調與VOS2的關係。
表2 增益為100時的輸出失調電壓。
雜訊和失真
複合放大器的輸出雜訊和諧波失真與直流誤差類似的方式進行校正，但對於交流參數，兩級的頻寬也會起作用。本文將舉一個例子，使用輸出雜訊來說明這一點；同時應理解，失真消除方式大致相同。
參考圖13所示電路，只要第一級(AMP1)有足夠的頻寬，它就會校正第二級(AMP2)的較大雜訊。當AMP1的頻寬開始耗盡時，來自AMP2的雜訊將開始佔主導地位，但是，如果AMP1頻寬過多，並且頻率回應中存在峰化，那麼在相同頻率處將產生雜訊峰值。
圖13 複合放大器的雜訊源。
對於此例，圖13中的電阻R5和R6分別代表AMP1和AMP2的固有雜訊源。圖14的上方曲線顯示了各種AMP1頻寬的頻率回應，以及單一固定頻寬AMP2的頻率回應。回憶增益分配部分，若複合增益為100(40dB)，AMP2增益為5(14dB)，則AMP1的有效增益將為20(26dB)。
圖14下方曲線顯示了每種情況的寬頻輸出雜訊密度。在低頻時，輸出雜訊密度以AMP1為主(1nV/√Hz乘以100的複合增益等於100nV/√Hz)，只要AMP1有足夠的頻寬來補償AMP2，這種情況就會持續下去。
圖14 雜訊性能與第一級頻寬的關係。
若AMP1頻寬小於AMP2頻寬，當AMP1頻寬開始滾降時，雜訊密度將開始由AMP2主導。這可以在圖14的兩條跡線中看到，雜訊上升至200nV/√Hz(40nV/√Hz乘以AMP2的增益5)。最後，若AMP1具有比AMP2大得多的頻寬，導致頻率回應出現峰化，則複合放大器將在相同頻率處呈現雜訊峰值，如圖14所示。由於頻率響應峰化引起過大增益，雜訊峰值的幅度也會更高。
表3和表4分別顯示了使用不同精密放大器作為第一級與AD8397形成複合放大器時的有效雜訊降低情況和THD+n改善情況。
表3 使用不同前端放大器的降噪情況，有效增益=100，f=1kHz。
表4 使用不同前端放大器的THD+n比較，有效增益=10，f=1kHz，ILOAD =200mA。
在此示例中，DAC輸出緩衝器應用的目標是為低阻抗探針提供10Vp-p的輸出，電流500mAp-p，要求低雜訊、低失真、出色的直流精準度，以及盡可能高的頻寬。DAC輸出的4mA~20mA電流將透過TIA轉換為電壓，然後轉換為複合放大器的輸入以進一步放大。
圖15 DAC輸出驅動器的應用電路。
AMP1可以是任何具有配置所需直流精準度的精密放大器。在此應用中，各種前端精密放大器都能與AD8397(以及其他高輸出電流放大器)配合使用，以實現應用所需的出色直流精準度和高輸出驅動能力。
圖16 AD8599和AD8397複合放大器的VOUT和IOUT。
表5 AD8599+AD8397複合放大器規格。
此配置不限於AD8397和AD8599，其他放大器組合也是可行，只要滿足輸出驅動要求並提供出色的直流精準度即可，表6和表7中的放大器也適合此應用。
表6 具有高輸出電流驅動能力的放大器。
表7 精密前端放大器。
結論
兩個放大器結合成複合放大器，可實現每個放大器最佳規格，同時彌補各自的局限性。具有高輸出驅動能力的放大器與精密前端放大器結合，可為非常棘手的應用提供解決方案，設計時務必考慮穩定性、雜訊峰化、頻寬和壓擺率，以獲得最佳性能。有許多可能的方案來滿足各種應用需求，正確的實施和組合可以實現應用的恰當平衡。
本文同步刊登於EE Times Taiwan 11月號雜誌
