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

一、復合放大器的基本結構與工作原理

復合放大器由兩個獨立的運算放大器串聯組成，各自承擔不同的功能角色：

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放；

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

如圖1所示，ADA4091-2作為前級，提供低失調電壓（最大250 μV）和高穩定性；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，可有效驅動重負載。

整個系統的總增益$G=1+\frac{R1}{R2}$G=1+R2R1，由外部反饋電阻設定。盡管第二級增益$G2$G2 可通過$R3\mathrm{/}R4$R3/R4 調整，但不會影響整體閉環增益，僅對前級輸出電平產生影響。

二、性能優勢分析

1. 帶寬擴展

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

關鍵在于增益分配策略：當兩級增益均等分布時，系統可以獲得最大帶寬。若某一階段增益過高，可能導致穩定性問題或帶寬受限。

2. 提升直流精度與穩定性

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

3. 噪聲與失真優化

前級負責信號的初始放大，并在其帶寬范圍內對后級噪聲進行抑制。只要前級帶寬足夠覆蓋目標頻率范圍，后級的噪聲貢獻將被大幅削弱。反之，若前級帶寬不足，則后級噪聲可能在高頻段主導輸出。

此外，復合結構還能改善THD（總諧波失真），特別是在驅動大信號負載時，后級放大器的線性度優勢得以充分發揮。

三、典型應用示例：ADA4091-2 + AD8397組合

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

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該配置特別適用于以下場景：

高速ADC/DAC前端驅動；

工業傳感器信號調理；

汽車雷達與通信發射模塊；

功率音頻放大器輸出級；

精密測試與測量設備。

四、設計要點與注意事項

穩定性驗證：需進行小信號穩定性和相位裕度分析，避免因兩級增益不匹配導致震蕩；

帶寬匹配：前級應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；

電源去耦：為兩路供電分別添加旁路電容，降低噪聲干擾；

增益分配優化：建議兩級增益接近，以獲得最佳帶寬與穩定性平衡。

五、總結

復合放大器架構通過巧妙地結合不同性能特性的運算放大器，實現了單一器件難以達到的技術指標。它不僅提升了帶寬、輸出能力和動態響應，還保留了前級放大器的高精度與低噪聲優勢。

對于需要兼顧高性能與靈活性的模擬系統設計而言，復合放大器是一種值得深入研究與應用的架構方案。在選擇具體運放型號時，應根據系統需求綜合考慮噪聲、帶寬、壓擺率、輸出電流等參數，并進行充分的仿真與實測驗證，以確保最終設計的可靠性與穩定性。