在精密模擬電路與高速信號處理系統(tǒng)中，工程師常面臨一個挑戰(zhàn)：如何在一個放大器中同時實(shí)現(xiàn)高帶寬、高輸出功率、低噪聲和優(yōu)異直流精度。然而，市面上很難找到能兼顧所有這些特性的單一運(yùn)算放大器。為應(yīng)對這一難題，復(fù)合放大器（Composite Amplifier）架構(gòu)提供了一種靈活而高效的解決方案。

一、復(fù)合放大器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

復(fù)合放大器由兩個獨(dú)立的運(yùn)算放大器串聯(lián)組成，各自承擔(dān)不同的功能角色：

第一級放大器（前級）：通常選用具有高精度、低噪聲、良好直流特性的精密運(yùn)放；

第二級放大器（后級）：則采用高輸出驅(qū)動能力、寬帶寬或高壓擺率的高速運(yùn)放，用于提升整體輸出性能。

如圖1所示，ADA4091-2作為前級，提供低失調(diào)電壓（最大250 μV）和高穩(wěn)定性；AD8397作為后級，具備69 MHz帶寬、310 mA峰值輸出電流及軌到軌輸出特性，可有效驅(qū)動重負(fù)載。

整個系統(tǒng)的總增益$G=1+\frac{R1}{R2}$G=1+R2R1，由外部反饋電阻設(shè)定。盡管第二級增益$G2$G2 可通過$R3\mathrm{/}R4$R3/R4 調(diào)整，但不會影響整體閉環(huán)增益，僅對前級輸出電平產(chǎn)生影響。

二、性能優(yōu)勢分析

1. 帶寬擴(kuò)展

復(fù)合放大器能夠顯著提高–3 dB帶寬。例如，在總增益為10時，使用兩個開環(huán)增益帶寬積（GBWP）均為100 MHz的放大器，其–3 dB帶寬可達(dá)單個放大器的約3倍。

關(guān)鍵在于增益分配策略：當(dāng)兩級增益均等分布時，系統(tǒng)可以獲得最大帶寬。若某一階段增益過高，可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題或帶寬受限。

2. 提升直流精度與穩(wěn)定性

由于負(fù)反饋機(jī)制的存在，第二級引入的誤差（如失調(diào)電壓）會被前級檢測并修正。因此，復(fù)合放大器的整體輸出失調(diào)主要取決于前級放大器的輸入失調(diào)特性，從而保留了精密運(yùn)放的高精度優(yōu)勢。

3. 噪聲與失真優(yōu)化

前級負(fù)責(zé)信號的初始放大，并在其帶寬范圍內(nèi)對后級噪聲進(jìn)行抑制。只要前級帶寬足夠覆蓋目標(biāo)頻率范圍，后級的噪聲貢獻(xiàn)將被大幅削弱。反之，若前級帶寬不足，則后級噪聲可能在高頻段主導(dǎo)輸出。

此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)還能改善THD（總諧波失真），特別是在驅(qū)動大信號負(fù)載時，后級放大器的線性度優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

三、典型應(yīng)用示例：ADA4091-2 + AD8397組合

以ADA4091-2（精密低功耗運(yùn)放）與AD8397（高速、高輸出電流雙運(yùn)放）組成的復(fù)合放大器為例，其性能表現(xiàn)如下：

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該配置特別適用于以下場景：

高速ADC/DAC前端驅(qū)動；

工業(yè)傳感器信號調(diào)理；

汽車?yán)走_(dá)與通信發(fā)射模塊；

功率音頻放大器輸出級；

精密測試與測量設(shè)備。

四、設(shè)計要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

穩(wěn)定性驗(yàn)證：需進(jìn)行小信號穩(wěn)定性和相位裕度分析，避免因兩級增益不匹配導(dǎo)致震蕩；

帶寬匹配：前級應(yīng)具備足夠帶寬以修正后級誤差；

熱管理：后級高輸出電流可能帶來較大功耗，需合理布局散熱路徑；

PCB布線：保持信號路徑短且對稱，減少寄生效應(yīng)；

電源去耦：為兩路供電分別添加旁路電容，降低噪聲干擾；

增益分配優(yōu)化：建議兩級增益接近，以獲得最佳帶寬與穩(wěn)定性平衡。

五、總結(jié)

復(fù)合放大器架構(gòu)通過巧妙地結(jié)合不同性能特性的運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)了單一器件難以達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。它不僅提升了帶寬、輸出能力和動態(tài)響應(yīng)，還保留了前級放大器的高精度與低噪聲優(yōu)勢。

對于需要兼顧高性能與靈活性的模擬系統(tǒng)設(shè)計而言，復(fù)合放大器是一種值得深入研究與應(yīng)用的架構(gòu)方案。在選擇具體運(yùn)放型號時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求綜合考慮噪聲、帶寬、壓擺率、輸出電流等參數(shù)，并進(jìn)行充分的仿真與實(shí)測驗(yàn)證，以確保最終設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性。