除了提高电路的增益带宽乘积外，将放大器分成多级还允许您选择不同的运算放大器，这些运算放大器设计用于在特定特性上表现出色。例如，您可以为第一级选择具有良好输入特性（即低失调、低噪声等）的运算放大器和具有良好输出特性（最大输出电压摆幅、最大输出电流、等）的最后阶段。只有一个级，您就必须找到具有足够好的输入和输出特性（更不用说足够高的增益带宽产品）的万能运算放大器。

第一级运算放大器的输入特性最为重要，因为该运算放大器的所有非理想输入（偏移、噪声等）都与信号一起被完全放大（因为它们被所有级放大）。第二级、第三级等运算放大器中的非理想性没有被完全放大，因此也没有那么大的问题。相比之下，第一级运算放大器不需要良好的输出特性，因为它的输出不会像后面的级那样摆动，并且正在驱动一个相对较高的阻抗负载（下一个运算放大器级）。

最后一级运算放大器可能具有最差的输入特性，因为其输入端的信号几乎被完全放大，并且远大于运算放大器的偏移、噪声等。不过，最后一级运算放大器需要良好的输出特性。例如，运算放大器的最大输出电压摆幅必须足以满足所需的信号输出电压摆幅（在您的情况下为 8 Vrms），并且它必须具有足够的摆率来处理您的放大信号。最后一级运算放大器可能还需要驱动低阻抗负载，在这种情况下，它需要能够提供/吸收更多输出电流。

如果噪声是一个问题，您还可以考虑使用额外的运算放大器有源带通滤波器级来降低带外噪声。这些级可能不会提供信号增益，但它们会提高整个放大器的性能。

举个具体的例子，我曾经设计过一款基于TLE2027低噪声精密运放的低噪声麦克风前置放大器. 它有很好的输入特性，但它的输出特性并不是最好的。特别是，它的压摆率仅保证在整个温度范围内约为 \$1\text{ V}/{\mu\text{s}}\$（规格限制因版本而异——参见数据表）。但是，对于 20 kHz 的 8 Vrms 输出信号，您需要的转换速率为 \$8\text{ V}\times \sqrt{2} \times 2\pi\times 20{\text{ kHz}} \approx 1.4 \text{ V}/{\mu\text{s}}\$. 它的输出也不是轨到轨的——输出信号可能会被这个运算放大器削波，具体取决于您的电源电压（例如，如果您使用 9 V 电池）。您可能需要在放大器的最后一级使用不同的运算放大器。

噪音：

假设您的运算放大器的 GBW 为 10MHz，噪声为 1µV（为简单起见）。源也有 1µV RMS 噪声。

每个运算放大器都会通过电路噪声增益放大其自身的噪声，加上上游所有东西的噪声，当然，通过电路的增益。因此，您希望第一级的增益足够高（例如，至少 10），以便源和第一个运算放大器（现在被放大 10 倍）的噪声支配下游其他运算放大器添加的噪声。

所以在这里：

• 假设我们想要 100 的增益，第一个运算放大器的增益 G1=10，第二个运算放大器的增益 G2=10。

第一个运算放大器通过 G1 放大源噪声 (1µV)，加上它自己的 (1µV)，这在 RMS 中相加，因此在 OPA1 的输出处我们得到 14µV，然后由 G2 放大，我们在输出端有 141.7µV 噪声。

• G1=1, G2=100

第一个运算放大器只是将自己的噪声添加到源（输出端为 1.4µV），然后第二个运算放大器添加自己的噪声并放大 100 倍。我们在输出端得到 172µV 的噪声。

这仅在源是低噪声时才重要。如果源噪声高于 OPA1 将添加的噪声，那么它的影响就会小得多。

注意：这也适用于失调电压，有时这可能会成为问题。

失真：

您的运算放大器的 GBW 为 10MHz。你想要160-2000的收益。

使用一个运算放大器，您可以从 GBW 中获得 2000 美元的收益。所以只剩下 10M/2000=5kHz GBW 用于校正失真，更重要的是，实际处理信号！

在这里，电路将具有大约 5kHz 的闭环带宽，以及数百赫兹以上的可怕失真，因为校正运算放大器非线性的环路增益非常小。

如果两个运算放大器相同，则通过让它们平均共享增益来实现最佳失真，即两者的增益均为 44，其乘积为 1936。

这可能会干扰噪声考虑，但在这种情况下，它不应该。

如果这是针对精密 DC，请记住闭环增益精度取决于可用的开环增益（GBW 除以增益）。

陷阱

第一个运算放大器不需要轨到轨，也不需要高输出电流，这为低噪声或精密运算放大器提供了更广泛的选择。它的输出电流驱动和压摆率比第二个运算放大器更重要（请参阅 Null 的答案）。

第二个放大器不需要具有高精度输入级，也不需要是 FET，因为它是由低阻抗驱动的。如果需要，它可以具有强大的输出驱动或轨到轨。或者它可以更便宜...

但是......在第二个运算放大器中，非反相模式下的输入级共模失真会更糟（好在那时它不是 JFET）。

您的设计 [Av = 2,000x, DC--20KHz +-0.1dB, SNR = 120dB (20 bit floor)] 可以用一个运算放大器执行吗？这是 20 位还是 24 位音频？

编辑[一个运算放大器能否驱动 ADC 采样保持电路的 ADC 输入电荷需求，但很快稳定？]

^{模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图}

首先，需要什么 Rnoise？120dB 噪声低于 4 毫伏 RMS，您需要 4 纳伏的总集成输入参考噪声。即噪声必须比最小输入电平小10^-6；4mV * 1e-6 = 4 纳伏 RMS。在 20KHz 带宽。要计算 Rnoise（第一级中所有随机噪声贡献者的总和），请将总集成输入参考噪声除以带宽的平方根，因此：4nV/sqrt(20,000) = 4nV/141 = 30 picoVolt 噪声密度每根赫兹. 使用 66 欧姆 Rnoise 产生 1nanovolt/rtHz 的噪声密度，而 66 毫欧 Rnoise（是的，<< 1 ohm）产生 1nV/sqrt(1,000) = 33 picoVolts，仅使用 4 毫伏 RMS 输入信号是无法实现 120dB SNR 的。为什么？最低的运算放大器 Rnoise 约为 10 欧姆，更常见的是 50 欧姆；外部增益设置电阻必须相当大 [>>> 66 毫欧，以避免热变形；即便如此，您仍需要在运算放大器之后包含输出缓冲器，以避免热失真]。

现在关于运算放大器的 UnityGainBandWidth：您需要大约 200KHz 的 F3dB 才能获得 20KHz +-0.1dB。并且您想要 2,000 倍的精度增益。UGBW 为 F3dB * Av = 200,000Hz * 2,000 = 400,000,000。使用具有如此高 UGBW 的运算放大器是一项巨大的挑战。

如果您想要立体声成像，则需要匹配的左右声道增益/相位，因此您的运算放大器需要足够的额外增益来精确控制高达 20,000Hz 的增益/相位。精确的？0.1分贝？将 F3dB 置于 200,000Hz。10MHz UGBW 运算放大器允许增益为 10,000,000 / 200,000 = 50X。

什么是合理的尝试？多级运放信号链；第一个运算放大器，Rnoise 为 50 或 60 ohms，UGBW 为 10MHz；您需要 50m * 50X = 2.5 伏 RMS 输出，频率为 20KHz。SlewRate 为 2.5*1.414 *20,000 * 6.28 = 500,000 伏特/秒。从第一个运算放大器开始。

在第一个和第二个运算放大器之间，您需要某种类型的可变衰减器，也就是音量控制。

第二个运算放大器可能与第一个相同，最小压摆率为 15 伏/uS。Walt Jung 建议选择运算放大器以在高转换率下提供低失真。

结果？精度增益为 2,500 倍或 2,000 倍；SNR 为 4mV/(1nV * sqrt(20,000) 或 4m​​Volt/141nanoVolt 或 28,000 (89dB SNR)。SlewRate 失真取决于您。

编辑

如果这个 8 伏 RMS 输出需要驱动 ADC，则该 ADC 将要求对电荷浪涌进行采样，并且运算放大器将需要以 0.1uSecond 的数量级恢复到基线电压。采样电荷浪涌会干扰 VDD 滤波器，并导致振铃。您不想放大该振铃，因此三个运算放大器似乎是合适的。