掌握搭建高速放大器电路技巧,实现高直流精度与高带宽

出处:网络整理时间:2025-05-09

复合放大器:集成优势实现高带宽


将两个运算放大器组合在一起,能够集成它们各自的优势特性。与具有相同增益的单个放大器相比,这种组合可以实现更高的带宽。复合放大器的配置与同相放大器类似,有两个外部操作电阻 R1 和 R2 。此时,可以把两个串联的运算放大器看作一个整体放大器,其总增益 (G) 通过电阻比来设置,公式为 G = 1 + R1/R2。若 R3 与 R4 的电阻比发生变化,会对放大器 2 (G2) 的增益产生影响,进而影响放大器 1 (G1) 的增益或输出电平,但不会改变有效总增益。因为当 G2 降低时,G1 会相应增加。
复合放大器的显著特性之一是具备更高的带宽。以两个完全相同、增益带宽积 (GBWP) 为 100 MHz、增益 G = 1 的放大器为例,其–3 dB 带宽可以提高约 27%。并且,增益越高,带宽提升效果越明显,但存在特定限值。一旦超过该限值,电路可能会出现不稳定的情况。同样,当两个放大器的增益分布不均时,也会导致不稳定。通常情况下,在两个放大器的增益均等分布时,可获得带宽。例如,当 GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10 时,两个放大器组合在总增益为 10 的情况下,–3 dB 带宽能达到单个放大器的 3 倍。

直流伺服环路:不同电路配置的实现方式


对于反相电路配置,使用配置为积分器的运算放大器的直流伺服环路是较为合适的选择;而对于同相电路,基于运算跨导放大器 (OTA) 的直流伺服环路则是简单的实现方式。这两个电路的具体情况如图 1 和图 2 所示。

图 1:用于反相放大器配置的直流伺服回路



图 2:非反相放大器配置的直流伺服回路


这两个电路无论是否使用去耦电容,本质上都是交流耦合的。使用去耦电容表示电路,是为了强调等效电路为交流耦合。伺服回路的作用是移除直流电压,并用参考电压 (Vref) 替代。系统的精度仅受伺服回路中使用设备的精度和回路速度的限制。在这两个电路中,需要平衡高通带宽与伺服放大器的响应时间。如果伺服放大器响应过快或信号变化过慢,信号将被伺服,可能对其完整性造成严重影响。此外,在实现测量之前,系统还存在一个初始稳定时间。
对于基于积分器的电路,伺服放大器的输出电压增加与信号放大器的输出直接相关。由于直流增益为 1 - V/V,信号放大器的输入随后会在输出端体现。由 R4 和 C3 形成的低通滤波器可限制带宽,并限度地减少对信号放大器的噪声影响。伺服放大器通常选用精密放大器,如 OPA277 或 OPA333。
非反相配置的直流伺服回路在 OPA615 的 SOTA (采样 OTA) 输出之前,其对积分器的行为与上述情况相同。引脚 10 和 11 之间的电压差会产生电流输出,为 Chold 电容器充电。产生的电压会馈送到另一个 OTA,该 OTA B 输入端 (引脚 3) 出现的电压会作为电压镜像到 E 输入端,并通过电阻 R E 转换为电流。电流终镜像到 C 输出 (引脚 12) 并插入 OPA656 的反相节点,直到引脚 10 和 11 两端的电压为零。
此外,SOTA 可用于对特定时间进行采样,在这段时间内,若信号未达到某个直流值,实际上会将整个信号向上或向下移动。在这种模式下,电路的行为类似于直流恢复电路。如果 SOTA 始终进行采样,则只能通过在引脚 10 上插入 RC 滤波器来实现直流校正,此 RC 滤波器与图 1 中的 R4、C3 滤波器具有相同的效果。
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