它只是一個(gè)三角形，或者符號(hào)的真正含義是什么

作者：Harry Holt and Michael Skroch

符號(hào)是幫助還是阻礙我們對(duì)設(shè)計(jì)的思考？

符號(hào)很重要，但如果符號(hào)可以表示幾件事呢？

正如我們將看到的，這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。在模擬世界中，三角形可以代表運(yùn)算放大器、比較器或儀表放大器。您可以強(qiáng)制其中一個(gè)執(zhí)行其中一個(gè)的功能，但系統(tǒng)性能不會(huì)是最佳的。讓我們看看它們的差異以及需要注意的事項(xiàng)，以便我們可以在可能的情況下圍繞它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。正如我們將看到的，在某些情況下，您甚至不想嘗試使用錯(cuò)誤類型的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

請(qǐng)看圖1，哪個(gè)三角形是運(yùn)算放大器？哪個(gè)三角形是比較器？哪個(gè)三角形是儀表放大器？答案是：

他們都是！

圖1.運(yùn)算放大器、儀表放大器和比較器。

那么，有什么區(qū)別，我們?yōu)槭裁搓P(guān)心？從表1可以看出，幾個(gè)特性存在一些很大的差異，但它們?cè)陔娐泛拖到y(tǒng)層面意味著什么？

讓我們看看你怎么會(huì)惹上麻煩...

反饋

運(yùn)算放大器具有巨大的收益。我們?cè)诠こ虒W(xué)院被告知在兩個(gè)輸入之間的差異等于零的情況下開(kāi)始分析。但在現(xiàn)實(shí)生活中，這不可能是真的。如果開(kāi)環(huán)增益為100萬(wàn)，則要獲得5 V輸出電壓，輸入端必須有5 μV電壓。對(duì)于可用的電路，我們需要應(yīng)用反饋，因此當(dāng)輸出試圖過(guò)高時(shí)，控制信號(hào)會(huì)反饋到輸入端，抵消原始激勵(lì)，例如負(fù)反饋。當(dāng)用作比較器時(shí)，在沒(méi)有反饋的情況下，輸出將猛擊一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌;有了積極的反饋，它將朝著同一個(gè)方向走得更遠(yuǎn)。因此，運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋。事實(shí)上，當(dāng)一些運(yùn)算放大器用作沒(méi)有反饋的比較器時(shí)，電源電流可能比數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值高5至10倍。1

然而，對(duì)于比較器來(lái)說(shuō)，積極的反饋正是我們所需要的。在沒(méi)有反饋的情況下，如果比較器的一個(gè)輸入緩慢地越過(guò)另一個(gè)輸入的電平，輸出將慢慢開(kāi)始變化。如果系統(tǒng)中存在噪聲，例如接地反彈，輸出可能會(huì)反轉(zhuǎn)，這在控制系統(tǒng)中肯定是不可取的。但隨后它開(kāi)始變回去，導(dǎo)致振蕩行為，有時(shí)稱為顫振（參見(jiàn)MT-083中的圖52).增加正反饋（也稱為遲滯）的好處在Reza Moghimi的文章“用滯后治療比較器不穩(wěn)定性”中得到了很好的介紹。3

圖2.經(jīng)典的 3 運(yùn)算放大器儀表放大器。

對(duì)于儀表放大器，反饋已經(jīng)是內(nèi)部的，因此增加反饋只會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的增益。利用運(yùn)算放大器構(gòu)建儀表放大器的典型方法如圖2所示。

注意：每個(gè)運(yùn)算放大器都有反饋。讓我們首先使用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋圖（見(jiàn)圖3），儀表放大器為G，所需增益為10，這意味著反饋因子為0.1。接下來(lái)，選擇儀表放大器固定增益100。使用公式1，實(shí)際閉環(huán)增益為9.09，誤差接近10%。因此，使用儀表放大器三角形作為運(yùn)算放大器并在其周圍放置反饋是沒(méi)有意義的。

對(duì)于運(yùn)算放大器，我們確實(shí)需要負(fù)反饋;對(duì)于比較器，我們確實(shí)需要積極的反饋;對(duì)于儀表放大器，我們不需要任何反饋。

開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益

對(duì)于運(yùn)算放大器，從公式1可以看出，開(kāi)環(huán)增益越高（A卷），閉環(huán)增益將越精確。大多數(shù)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益在100，000到1000萬(wàn)之間，但一些較舊的高速運(yùn)算放大器可能低至3000。如前所述，開(kāi)環(huán)增益越高，閉環(huán)增益誤差越低。

對(duì)于比較器，如果輸出端的邏輯擺幅為3 V，并且需要1 mV閾值，則最小增益需要為3000。較高的增益將提供更小的不確定窗口，但如果增益過(guò)高，微伏噪聲將觸發(fā)比較器。

對(duì)于儀表放大器，開(kāi)環(huán)增益的概念并不適用。

輸入電容器

電容器通常被添加到電路中以限制帶寬。從圖4看，乍一看，R1和C1似乎形成了一個(gè)低通濾波器。這不起作用，并可能導(dǎo)致振蕩。反相放大器的反饋因數(shù)為R2/R1，但在圖4中，反饋因數(shù)為R2/（R1 + Xc）。隨著頻率的增加，反饋因數(shù)增加，因此噪聲增益以+20 dB/十倍頻程上升，而運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益以–20 dB/十倍頻程下降。它們以 40 dB 的分貝交叉，根據(jù)控制系統(tǒng)理論，這保證了振蕩。限制電路帶寬的正確方法是將電容放在R2兩端。

圖4.嘗試降低運(yùn)算放大器帶寬。

比較器通常沒(méi)有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，因此圖5中比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構(gòu)成一個(gè)低通濾波器效果很好。R海斯應(yīng)該比R7大得多，兩者分壓輸出擺幅以提供少量的正反饋（遲滯）。如果比較器具有內(nèi)置遲滯，例如LTC6752或ADCMP391，則R7和R海斯未使用。

圖5.具有LPF和遲滯的比較器。

對(duì)于儀表放大器，輸入端的電容是完全可以接受的，如圖6中的C4所示。ADI公司儀器指南第5章中的圖4顯示每次使用儀表放大器時(shí)要做的好事。如果用適當(dāng)?shù)淖呔€和焊盤布置印刷電路板以允許添加兩個(gè)電阻器和三個(gè)電容器，則可以從 0 Ω 個(gè)電阻和無(wú)電容器開(kāi)始，并測(cè)量系統(tǒng)性能。通過(guò)調(diào)整五個(gè)分量的值，可以獨(dú)立設(shè)置共模滾降和普通模式滾降（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱指南）。

圖6.儀表放大器前的RFI濾波器。

Outputs

運(yùn)算放大器或儀表放大器的輸出擺幅從靠近一個(gè)電源軌到另一個(gè)電源軌。根據(jù)輸出級(jí)是使用共發(fā)射極還是共源極配置，其電壓可能在25 mV至200 mV范圍內(nèi)。這將被視為軌到軌輸出。如果運(yùn)算放大器由+15 V和–15 V供電，則不方便與數(shù)字電路接口。已經(jīng)嘗試過(guò)的一種糟糕的解決方案是在輸出端放置二極管箝位，以保護(hù)數(shù)字輸入免受損壞。相反，運(yùn)算放大器電流會(huì)變得很高，運(yùn)算放大器會(huì)損壞。將運(yùn)算放大器連接到數(shù)字邏輯有更復(fù)雜的方法，但何必呢？只需使用比較器即可。

比較器可以具有CMOS圖騰柱輸出，或者NPN或NMOS集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路輸出。雖然集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路輸出需要上拉電阻，導(dǎo)致上升和下降時(shí)間不相等，但它確實(shí)具有在一個(gè)電壓（例如5 V）下工作比較器并與工作在不同電壓（如3.3 V）下的邏輯接口的優(yōu)勢(shì)。

重要規(guī)格

對(duì)于運(yùn)算放大器，我們需要高于最高信號(hào)頻率的增益帶寬，以保持較低的閉環(huán)誤差。從公式1可以看出，增益帶寬規(guī)則應(yīng)該是最高信號(hào)頻率的10到100倍。如前所述，從公式 1 中，請(qǐng)注意 A卷是頻率的函數(shù)，會(huì)影響閉環(huán)精度。相位裕量也很重要，并且會(huì)隨容性負(fù)載而變化，因此規(guī)格表應(yīng)明確說(shuō)明測(cè)試條件。對(duì)于直流精度，失調(diào)電壓應(yīng)較低。對(duì)于經(jīng)過(guò)調(diào)整的雙極性運(yùn)算放大器，25 μV至100 μV很好;對(duì)于FET輸入運(yùn)算放大器，200 μV至500 μV很好。自動(dòng)歸零/斬波器/零漂移運(yùn)算放大器幾乎始終低于20 μV最大值，這是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)。有關(guān)示例，請(qǐng)參見(jiàn)一些典型的運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，例如OP27、AD8610或ADA4522。

圖7.具有高共模擺幅的雙向電流檢測(cè)。

傳播延遲是比較器的關(guān)鍵規(guī)格。與過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)變慢的運(yùn)算放大器相反，比較器在過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)變快。規(guī)格表有時(shí)會(huì)具有具有少量過(guò)驅(qū)（例如5 mV）的傳播延遲，以及具有50 mV甚至100 mV較大過(guò)驅(qū)的不同延遲。

儀表放大器的首要規(guī)格是共模抑制比（CMRR）。您正在嘗試在大共模電壓之上提取非常小的差分信號(hào)。與許多規(guī)格一樣，這隨頻率而變化，有時(shí)會(huì)列出直流CMRR或非常低頻率的CMRR。通常提供CMRR與頻率的關(guān)系圖。例如，如果您嘗試檢測(cè)H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的電流，如圖7所示，這一點(diǎn)非常重要。

對(duì)于儀表放大器來(lái)說(shuō)，這可能是最困難的應(yīng)用，因?yàn)楣材ｋ妷簭囊粋€(gè)電源軌附近變?yōu)榭拷硪粋€(gè)電源軌，并且電流會(huì)迅速反轉(zhuǎn)。增益帶寬和壓擺率都很重要。

編程

從這個(gè)意義上說(shuō)，編程并不意味著編寫代碼;這意味著配置器件以滿足系統(tǒng)要求（盡管有些儀表放大器確實(shí)具有帶有SPI端口和寄存器的傳統(tǒng)軟件編程功能）。

對(duì)于運(yùn)算放大器，我們配置具有負(fù)反饋的器件。這可以是純電阻元件，但通常電阻與電容器并聯(lián)使用以限制帶寬。這有助于提高信噪比，因?yàn)樵肼晫⒃谡麄€(gè)范圍內(nèi)積分，即使我們只使用其中的一部分。您也可以單獨(dú)使用電容器，并獲得積分器或微分器。

比較器應(yīng)始終具有一些正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動(dòng)，輸出就會(huì)加強(qiáng)移動(dòng)（參見(jiàn)圖4和圖5）。圖片和計(jì)算包含在MT-083中。一些比較器確實(shí)有內(nèi)部遲滯，但如果需要，您通?？梢蕴砑痈?。一些具有內(nèi)部遲滯的比較器有一個(gè)引腳，用于添加電阻以稍微改變量。

可以使用運(yùn)算放大器作為比較器，但這并不理想，并且有幾個(gè)考慮因素。您必須是一個(gè)好的模擬者才能在生產(chǎn)環(huán)境中僥幸逃脫。MT-083 中有一些注意事項(xiàng)，并且已經(jīng)寫了許多贊成和反對(duì)的文章。如果您喜歡危險(xiǎn)的生活，請(qǐng)參閱參考資料。

比較器幾乎總是用電阻器編程。您可以添加一個(gè)高阻值電阻器以提供一點(diǎn)正反饋，也可以使用電容器進(jìn)行交流反饋以避免增加直流遲滯。一些比較器具有內(nèi)置遲滯，但同樣可以通過(guò)添加少量正反饋來(lái)增加遲滯。

最后的考慮

當(dāng)嘗試使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)，會(huì)發(fā)生一些微妙的事情。相當(dāng)多的低噪聲雙極性運(yùn)算放大器在輸入之間具有反并聯(lián)二極管。大多數(shù)比較器的輸入共模范圍占總范圍的80%或更多。但一些低噪聲、雙極性運(yùn)算放大器在輸入之間有一個(gè)或兩個(gè)二極管串聯(lián)。這是為了防止輸入級(jí)與發(fā)射極基極結(jié)之一齊納林，這會(huì)隨著時(shí)間的推移降低噪聲性能。

因此，在3.3 V系統(tǒng)中用作電源良好指示器閾值電平為3 V的比較器時(shí)，一個(gè)輸入端為3 V，另一個(gè)輸入端為0 V，因此這些二極管限制了運(yùn)算放大器輸入端允許的最大差分電壓。

總結(jié)

對(duì)于許多應(yīng)用，運(yùn)算放大器的選擇取決于您關(guān)注的是直流精度、交流精度、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬還是電源電壓。到2020年，您有超過(guò)700種可供選擇。比較器的關(guān)鍵參數(shù)通常是傳播延遲和電源電壓。選擇稍微容易一些，有 122 個(gè)零件可供選擇。儀表放大器的主要標(biāo)準(zhǔn)是CMRR與頻率的函數(shù)關(guān)系，但接近直流、失調(diào)電壓和增益精度也很重要。因?yàn)閮x表放大器是一個(gè)更專業(yè)的部分，所以“只有”63種選擇。

選擇正確的零件將在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)故障、值得生產(chǎn)的設(shè)計(jì)。