運算放大器的串聯(lián):如何同時實現(xiàn)高精度和高輸出功率
發(fā)布時間:2020-11-05 來源:Thomas Brand,ADI 現(xiàn)場應(yīng)用工程師 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】工程師常常面對各種挑戰(zhàn),需要不斷開發(fā)新應(yīng)用,以滿足廣泛的需求。一般來說,這些需求很難同時滿足。例如一款高速、高壓運算放大器(運放),同時還具有高輸出功率,以及同樣 出色的直流精度、噪聲和失真性能。市面上很少能見到兼具所有這些特性的運算放大器。但是,您可以使用兩個單獨的放大器來構(gòu)建這種放大器,形成復(fù)合放大器。將兩個運算放大器組合在一起,就能將各自的優(yōu)勢特性集成于一體。這樣,與具有相同增益的單個放大器相比,兩個運算放大器組合可以實現(xiàn)更高的帶寬。
復(fù)合放大器
復(fù)合放大器由兩個單獨放大器組合而成,分別具有不同的特性。 圖1所示就是這種結(jié)構(gòu)。放大器1為低噪聲精密放大器ADA4091-2。 在本例中,放大器2為AD8397,具有高輸出功率,可用于驅(qū)動其他模塊。
圖1. 兩個運算放大器串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合放大器的示意圖
圖1所示的復(fù)合放大器的配置與同相放大器的配置類似,后者具有兩個外部操作電阻R1和R2。將兩個串聯(lián)在一起的運算放大器看作一個放大器??傇鲆?G)通過電阻比設(shè)置,G = 1 + R1/R2。如果R3與R4電阻比發(fā)生變化,會影響放大器2 (G2)的增益,也會影響放大器1 (G1)的增益或輸出電平。但是,R3和R4不會改變有效總增益。如果G2降低,G1將增加。
帶寬擴展
復(fù)合放大器的另一個特性是具備更高帶寬。相比單個放大器,復(fù)合放大器的帶寬更高。所以,如果使用兩個完全相同的放大器,其增益帶寬積(GBWP)為100 MHz,增益G = 1,那么–3 dB帶寬可以提高約27%。增益越高,效果越明顯,但最高只能達到特定限值。一旦超過限值,可能會不穩(wěn)定。兩個增益分布不均時,也會出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來說,在兩個放大器的增益均等分布的情況下,可獲得最大帶寬。采用上述值(GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10),在總增益為10時,兩個放大器組合的–3 dB帶寬可以達到單個放大器的3倍。
這種說明相對簡單。增益均勻分布時,G2也會獲得與放大器1相同的有效增益。但是,每個獨立放大器的開環(huán)增益更高。增益較低時,例如,從40 dB降至20db時,兩個放大器都會在開環(huán)曲 線的低區(qū)域內(nèi)運行(參見圖2)。如此,與具有同樣增益的單個放大器相比,復(fù)合放大器可獲得更高帶寬。
圖2. 通過復(fù)合放大器擴展帶寬
直流精度和噪聲
在典型運算放大器電路中,部分輸出會饋送到反相輸入。如此,可以通過反饋路徑來修正輸出誤差,以提高精度。圖1所示的組合也為放大器2提供了單獨的反饋路徑,雖然它也在放大器1 的反饋路徑中。整體配置輸出會因放大器2產(chǎn)生更大誤差,但在反饋給放大器1時,會修正這種誤差。因此,可以保持放大器1的精度。輸出失調(diào)僅與第一個放大器的輸入失調(diào)誤差成正比,與第二個放大器的失調(diào)電壓無關(guān)。
噪聲分量也一樣。它也通過反饋得到修正,其中交流信號與兩個放大器級的帶寬預(yù)留相關(guān)。只要第一個放大器級具備足夠帶寬,它就會修正放大器2的噪聲分量。至此,其輸出電壓噪聲密 度占主導(dǎo)地位。但是,如果超過了放大器1的帶寬,那么第二個放大器的噪聲分量開始占主導(dǎo)。如果放大器1的帶寬過高,或者遠高于放大器2的帶寬,就會產(chǎn)生問題。這可能導(dǎo)致復(fù)合放大器的輸出中出現(xiàn)額外的噪聲峰值。
結(jié)論
通過將兩個放大器串聯(lián)在一起,可以將兩者的出色特性相結(jié)合,從而獲得使用單個運算放大器無法實現(xiàn)的結(jié)果。例如,可以實現(xiàn)具有高輸出功率和高帶寬的高精度放大器。圖1所示的示例電路使用了軌到軌放大器AD8397(–3 dB帶寬 = 69 MHz)和精密放大器ADA4091-2(–3 dB帶寬 = 1.2 MHz),將兩者組合得到的帶寬比單個放大器(放大器1)的帶寬要高2倍以上(G = 10)。此外,將AD8397和各種精密放大器組合,還可以降低噪聲,并改善THD特性。但是,在設(shè)計中,還必須通過修正放大器配置來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果考慮所有標(biāo)準(zhǔn),復(fù)合放大器也可能適用于各種要求嚴(yán)苛的廣泛應(yīng)用。
作者
Thomas Brand
Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司,當(dāng)時他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月,他參加了ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項目。之后在2017年2月,他開始擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師職位,主要負責(zé)工業(yè)大客戶。此外,他還專注于研究工業(yè)以太網(wǎng),并為中歐的相關(guān)主題提供支持。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè),之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負載電壓達100 V的業(yè)內(nèi)先進的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
- 大聯(lián)大世平集團的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)方案榮獲第六屆“金輯獎之最佳技術(shù)實踐應(yīng)用”獎
- X-CUBE-STL:支持更多STM32, 揭開功能安全的神秘面紗
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
音頻IC
音頻SoC
音頻變壓器
引線電感
語音控制
元件符號
元器件選型
云電視
云計算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動器
振動設(shè)備
震動馬達
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機
中電華星
中電器材
中功率管
中間繼電器