如何搭建高速放大器電路，實現(xiàn)高直流精度和高帶寬

當(dāng)同時需要高直流精度和高帶寬時，可能難以實現(xiàn)。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。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施伺服環(huán)路。

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。

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(dá)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(dá)到單個放大器的3倍。

對于反相電路配置，使用配置為積分器的運算放大器的直流伺服環(huán)路是最合適的。對于同相電路，基于運算跨導(dǎo)放大器 (OTA) 的直流伺服環(huán)路將是最簡單的實現(xiàn)方式。這兩個電路如下圖 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，這兩個電路都是交流耦合的。我在這里用去耦電容表示電路，以強調(diào)等效電路將是交流耦合的。

伺服回路實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。在這兩個電路中，您必須平衡高通帶寬與伺服放大器的響應(yīng)時間。如果伺服放大器太快或信號變化太慢，信號將被伺服，對其完整性造成災(zāi)難性后果。在實現(xiàn)精確測量之前，系統(tǒng)還將有一個初始穩(wěn)定時間。

對于基于積分器的電路，伺服放大器的輸出電壓增加與信號放大器的輸出直接相關(guān)。由于 DC 增益為 1-V/V，信號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信號放大器的噪聲影響。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 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。電流將繼續(xù)加到該節(jié)點，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 可用于對特定時間進行采樣，在此期間沒有信號達(dá)到某個 DC 值，實際上將整個信號向上或向下移動。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。