放大器电路如何实现高直流精度和高带宽

当同时需要高直流精度和高带宽时，可能难以实现。例如一款高速、高压运算放大器(运放)，同时还具有高输出功率，以及同样 出色的直流精度、噪声和失真性能。市面上很少能见到兼具所有这些特性的运算放大器。根据电路配置，有几种有效的方法，包括构建复合放大器或围绕高速放大器实施伺服环路。

将两个运算放大器组合在一起，就能将各自的优势特性集成于一体。这样，与具有相同增益的单个放大器相比，两个运算放大器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的配置类似，后者具有两个外部操作电阻R1和R2。将两个串联在一起的运算放大器看作一个放大器。总增益(G)通过电阻比设置，G = 1 + R1/R2。如果R3与R4电阻比发生变化，会影响放大器2 (G2)的增益，也会影响放大器1 (G1)的增益或输出电平。但是，R3和R4不会改变有效总增益。如果G2降低，G1将增加。

复合放大器的另一个特性是具备更高带宽。相比单个放大器，复合放大器的带宽更高。所以，如果使用两个完全相同的放大器，其增益带宽积(GBWP)为100 MHz，增益G = 1，那么–3 dB带宽可以提高约27%。增益越高，效果越明显，但最高只能达到特定限值。一旦超过限值，可能会不稳定。两个增益分布不均时，也会出现这种不稳定的情况。一般来说，在两个放大器的增益均等分布的情况下，可获得最大带宽。采用上述值(GBWP = 100 MHz、G2 = 3.16、G = 10)，在总增益为10时，两个放大器组合的–3 dB带宽可以达到单个放大器的3倍。

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最合适的。对于同相电路，基于运算跨导放大器 (OTA) 的直流伺服环路将是最简单的实现方式。这两个电路如下图 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

无论您是否要使用去耦电容，这两个电路都是交流耦合的。我在这里用去耦电容表示电路，以强调等效电路将是交流耦合的。

伺服回路实际上移除了直流电压并用参考电压 (Vref) 代替它。系统的精度仅受伺服回路中使用的设备的精度和回路速度的限制。在这两个电路中，您必须平衡高通带宽与伺服放大器的响应时间。如果伺服放大器太快或信号变化太慢，信号将被伺服，对其完整性造成灾难性后果。在实现精确测量之前，系统还将有一个初始稳定时间。

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 DC 增益为 1-V/V，信号放大器的输入随后将在输出端看到。由 R4 和 C3 形成的低通滤波器将限制带宽并最大限度地减少对信号放大器的噪声影响。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对积分器的行为相同，直到OPA615的 SOTA(采样 OTA)输出。引脚 10 和 11 之间的电压差将产生电流输出，为 Chold 电容器充电。然后将产生的电压馈送到另一个 OTA。出现在该 OTA B 输入端(引脚 3)的电压作为电压镜像到 E 输入端，并通过电阻 R E转换为电流。电流最终镜像到 C 输出(引脚 12)并插入 OPA656 的反相节点。电流将继续加到该节点，直到引脚 10 和 11 两端的电压为零。

现在为了增加一些复杂性，SOTA 可用于对特定时间进行采样，在此期间没有信号达到某个 DC 值，实际上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 始终采样，则只能通过在引脚 10 上插入 RC 滤波器来实现 DC 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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