Kompositverstärker und wie sie das Beste aus zwei Welten

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 8, 2021

 Computer planet with circuit grid

Es gibt viele Fälle, in denen man einen Verstärker mit hoher Verstärkung, geringem Rauschen, hoher Flankensteilheit und hoher Bandbreite benötigt. Allerdings sind nicht alle diese Designziele mit allen handelsüblichen Bauelementen möglich. Eine Lösung ist der Einsatz mehrerer Verstärker in einem Verstärkerverbund. Mit dem richtigen Kompositverstärker können Sie einen individuellen Verstärker erstellen, der die besten Eigenschaften der einzelnen Verstärkerstufen vereint. Im Folgenden finden Sie einige Punkte, die bei der Entwicklung eines Verbundverstärkers zu beachten sind, und wie Sie Ihren Entwurf mit den richtigen Schaltungssimulationstools überprüfen können.

Kompositverstärker verstehen

Jeder zusammengesetzte Verstärker besteht aus mindestens zwei Verstärkern. Klassische Schaltungen haben zwei Operationsverstärker, aber Kompositverstärker können mehr umfassen. Dies ist vergleichbar mit einem kaskadierten oder mehrstufigen Verstärker, und es hilft, zwischen den einzelnen Verstärkertypen zu unterscheiden, um die potenziellen Vorteile eines Kompositverstärkers besser zu verstehen.

Schaltplan eines Kompositverstärkers

Der folgende Schaltplan zeigt ein allgemeines Beispiel für einen Kompositverstärker. Jede Verstärkerstufe in diesem Beispiel besteht aus einem Operationsverstärker. Er ist auf eine Weise implementiert, mit der die meisten Entwickler vertraut sind. Es gibt eine gemeinsame Rückkopplung zwischen dem Ausgang und dem ersten Verstärker A1. Der zweite Verstärker A2 verfügt, zusätzlich zu der gemeinsamen Rückkopplung für den Gesamtverstärker, über eine eigene Rückkopplungsschleife. Auf diese Weise ist der zweite Verstärker im Grunde Teil der Rückkopplungsschleife des ersten Verstärkers, die durch die Schleife A2 → R2 → A1 gebildet wird.

Composite amplifier circuit diagram

Mehrstufige vs. kaskadierte vs. Kompositverstärker

Diese verschiedenen Verstärkertypen können leicht miteinander verwechselt werden, und das aus gutem Grund. Ein mehrstufiger Verstärker enthält einzelne Verstärkerstufen, wobei jede Stufe eine eigene Topologie besitzen oder wiederum aus mehreren Verstärkern aufgebaut sein kann (einschließlich eines zusammengesetzten Verstärkers). Alle kaskadierten Verstärker sind mehrstufige Verstärker, aber nicht jeder mehrstufige Verstärker ist ein kaskadierter Verstärker. Die Begriffe „mehrstufiger Verstärker“ und „kaskadierter Verstärker“ werden jedoch manchmal synonym verwendet.

Der Hauptfaktor, der diese verschiedenen Verstärkertypen unterscheidet, ist die Art und Weise, wie die Verstärkungen (eigentlich die Übertragungsfunktionen) der einzelnen Verstärker kombiniert werden, um die Verstärkung (Übertragungsfunktion) des gesamten Verstärkers im linearen Bereich zu erzeugen. Bei einem kaskadierten oder mehrstufigen Verstärker ist die Gesamtverstärkung lediglich das Produkt der einzelnen Verstärkungen der einzelnen Verstärker, wobei davon ausgegangen wird, dass alle Verstärkerstufen in ihren jeweiligen linearen Bereichen arbeiten. Dies ist bei einem Kompositverstärker im Allgemeinen nicht der Fall. Wie aus dem obigen Schaltplan ersichtlich ist, hängt die Gesamtverstärkung davon ab, wie die gemeinsame Rückkopplung und die Rückkopplung der zweiten Stufe implementiert sind. Die nachstehende Tabelle enthält eine kurze Zusammenfassung dieser verschiedenen Verstärkertypen und zeigt, wie die Rückkopplung zwischen den einzelnen Stufen erfolgt.

Verstärkertyp

Verstärkung

Rückkopplungsschleife

Komposit

Hängt von der Gestaltung der Rückkopplungsschleife ab

Mehrere Verstärker sind mit einer gemeinsamen Rückkopplungsschleife in Reihe geschaltet. Jeder Verstärker kann individuelle Rückkopplungsschleifen haben.

Kaskadiert

Mehrfach

Mehrere Verstärker in Reihe, wobei jeder Verstärker seine eigene Rückkopplungsschleife hat und keine gemeinsame Rückkopplung vorhanden ist.

Mehrstufig

Mehrfach

Mehrere Verstärkerstufen werden in Reihe geschaltet, wobei jede Stufe eine andere Topologie haben kann

 

Design von Kompositverstärker

Verstärkung-Bandbreite

Es gibt einige grundlegende Punkte, die man über den Aufbau eines Kompositverstärkers wissen muss. Das ist das Verhältnis zwischen der Gesamtverstärkung des Kompositverstärkers (eingestellt durch R1 und R2 im obigen Schaltplan) und den individuellen Verstärkungen der einzelnen Verstärker. Obwohl die Verstärkungen multiplikativ sind, ist die Verstärkung von A1 (Gesamtverstärkung)/(Verstärkung von A2); sie wird ausschließlich durch den Ausgang von A2 und die gemeinsame Rückkopplungsschleife bestimmt. Das Ziel bei der Einstellung der Verstärkungsbandbreite ist es, zu verhindern, dass einzelne Verstärker Übersteuerungen aufweisen, was wiederum Übersteuerungen in der zusammengesetzten Übertragungsfunktion verhindert. Der Flankenabfall entspricht dem eines Verstärkers höherer Ordnung (Produkt der Ordnungen der einzelnen Verstärker).

Sekundärstufe

Die Wahl eines Verstärkers mit höherer Leistung in der zweiten Stufe, der schneller als die erste Stufe ist, erhöht die Stabilität des Gesamtdesigns. So sind beispielsweise Verstärker wie der ADA4870 eine gute Wahl, da sie i. d. R. nicht von Schwankungen des Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts betroffen sind. Dies wiederum macht die Bandbreite des zweiten Verstärkers unabhängig von der Verstärkung und kann durch den Wert der Rückkopplungswiderstände eingestellt werden. Dies ist eine wichtige Stellgröße für die Optimierung der Schaltungsstabilität.

Frequenzkompensation

Ein Simulationstool hilft bei der Auslegung der Frequenzkompensation, um sicherzustellen, dass der Verstärker keine Instabilitäten in einer der beiden Stufen aufweist. Ziel ist es, die Phasenreserve beim Betrieb einer kapazitiven Last in Grenzen zu halten. Die Frequenzkompensation wird i. d. R. mit Rückkopplungskondensatoren durchgeführt, um die Phasenverschiebung auf den Eingang der ersten Stufe zurückzusetzen. Die Analyse von Einschwingvorgängen und Bode-Plots in einer SPICE-Simulation mit realen Bauteilmodellen gibt Aufschluss darüber, ob die zusammengesetzte Verstärkerschaltung stabil ist.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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