如何搭建高速放大器電路，實(shí)現(xiàn)高直流精度和高帶寬

當(dāng)同時(shí)需要高直流精度和高帶寬時(shí)，可能難以實(shí)現(xiàn)。工程師常常面對(duì)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(shí)滿足。例如一款高速、高壓運(yùn)算放大器(運(yùn)放)，同時(shí)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(yùn)算放大器。根據(jù)電路配置，有幾種有效的方法，包括構(gòu)建復(fù)合放大器或圍繞高速放大器實(shí)施伺服環(huán)路。

將兩個(gè)運(yùn)算放大器組合在一起，就能將各自的優(yōu)勢(shì)特性集成于一體。這樣，與具有相同增益的單個(gè)放大器相比，兩個(gè)運(yùn)算放大器組合可以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。

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(gè)外部操作電阻R1和R2。將兩個(gè)串聯(lián)在一起的運(yùn)算放大器看作一個(gè)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(huì)影響放大器2 (G2)的增益，也會(huì)影響放大器1 (G1)的增益或輸出電平。但是，R3和R4不會(huì)改變有效總增益。如果G2降低，G1將增加。

復(fù)合放大器的另一個(gè)特性是具備更高帶寬。相比單個(gè)放大器，復(fù)合放大器的帶寬更高。所以，如果使用兩個(gè)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(dá)到特定限值。一旦超過限值，可能會(huì)不穩(wěn)定。兩個(gè)增益分布不均時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況。一般來說，在兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)放大器組合的–3 dB帶寬可以達(dá)到單個(gè)放大器的3倍。

對(duì)于反相電路配置，使用配置為積分器的運(yùn)算放大器的直流伺服環(huán)路是最合適的。對(duì)于同相電路，基于運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 (OTA) 的直流伺服環(huán)路將是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式。這兩個(gè)電路如下圖 1 和圖 2 所示。

圖 1：用于反相放大器配置的直流伺服回路

圖 2：非反相放大器配置的直流伺服回路

無論您是否要使用去耦電容，這兩個(gè)電路都是交流耦合的。我在這里用去耦電容表示電路，以強(qiáng)調(diào)等效電路將是交流耦合的。

伺服回路實(shí)際上移除了直流電壓并用參考電壓 (Vref) 代替它。系統(tǒng)的精度僅受伺服回路中使用的設(shè)備的精度和回路速度的限制。在這兩個(gè)電路中，您必須平衡高通帶寬與伺服放大器的響應(yīng)時(shí)間。如果伺服放大器太快或信號(hào)變化太慢，信號(hào)將被伺服，對(duì)其完整性造成災(zāi)難性后果。在實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量之前，系統(tǒng)還將有一個(gè)初始穩(wěn)定時(shí)間。

對(duì)于基于積分器的電路，伺服放大器的輸出電壓增加與信號(hào)放大器的輸出直接相關(guān)。由于 DC 增益為 1-V/V，信號(hào)放大器的輸入隨后將在輸出端看到。由 R4 和 C3 形成的低通濾波器將限制帶寬并最大限度地減少對(duì)信號(hào)放大器的噪聲影響。伺服放大器通常是精密放大器，例如OPA277或OPA333。

非反相配置的直流伺服回路對(duì)積分器的行為相同，直到OPA615的 SOTA(采樣 OTA)輸出。引腳 10 和 11 之間的電壓差將產(chǎn)生電流輸出，為 Chold 電容器充電。然后將產(chǎn)生的電壓饋送到另一個(gè) OTA。出現(xiàn)在該 OTA B 輸入端(引腳 3)的電壓作為電壓鏡像到 E 輸入端，并通過電阻 R E轉(zhuǎn)換為電流。電流最終鏡像到 C 輸出(引腳 12)并插入 OPA656 的反相節(jié)點(diǎn)。電流將繼續(xù)加到該節(jié)點(diǎn)，直到引腳 10 和 11 兩端的電壓為零。

現(xiàn)在為了增加一些復(fù)雜性，SOTA 可用于對(duì)特定時(shí)間進(jìn)行采樣，在此期間沒有信號(hào)達(dá)到某個(gè) DC 值，實(shí)際上將整個(gè)信號(hào)向上或向下移動(dòng)。在這種模式下，電路的行為類似于直流恢復(fù)電路。如果 SOTA 始終采樣，則只能通過在引腳 10 上插入 RC 濾波器來實(shí)現(xiàn) DC 校正。此 RC 濾波器與圖 1 中的 R4、C3 濾波器具有相同的效果。