它只是一个三角形，或者符号的真正含义是什么

作者：Harry Holt and Michael Skroch

符号是帮助还是阻碍我们对设计的思考？

符号很重要，但如果符号可以表示几件事呢？

正如我们将看到的，这可能会导致问题。在模拟世界中，三角形可以代表运算放大器、比较器或仪表放大器。您可以强制其中一个执行其中一个的功能，但系统性能不会是最佳的。让我们看看它们的差异以及需要注意的事项，以便我们可以在可能的情况下围绕它们进行设计。正如我们将看到的，在某些情况下，您甚至不想尝试使用错误类型的零件进行设计。

请看图1，哪个三角形是运算放大器？哪个三角形是比较器？哪个三角形是仪表放大器？答案是：

他们都是！

图1.运算放大器、仪表放大器和比较器。

那么，有什么区别，我们为什么关心？从表1可以看出，几个特性存在一些很大的差异，但它们在电路和系统层面意味着什么？

	运算放大器	比较仪	仪表放大器
反馈	阴性	无/阳性	内部
开环增益	5k 到 1000 万	3k 至 50k	固定 0.2 至 10k
闭环增益	通常< 10，000		固定 0.2 至 10k
输入上限	从不	或	好
输出	模拟/线性	数字	模拟/线性
重要规格	V操作系统， GBW/PM	道具延迟	CMRR
编程	R 或 C	没有	R， SPI， 跳线

让我们看看你怎么会惹上麻烦...

反馈

运算放大器具有巨大的收益。我们在工程学院被告知在两个输入之间的差异等于零的情况下开始分析。但在现实生活中，这不可能是真的。如果开环增益为100万，则要获得5 V输出电压，输入端必须有5 μV电压。对于可用的电路，我们需要应用反馈，因此当输出试图过高时，控制信号会反馈到输入端，抵消原始激励，例如负反馈。当用作比较器时，在没有反馈的情况下，输出将猛击一个电源轨或另一个电源轨;有了积极的反馈，它将朝着同一个方向走得更远。因此，运算放大器需要负反馈。事实上，当一些运算放大器用作没有反馈的比较器时，电源电流可能比数据手册中的最大值高5至10倍。1

然而，对于比较器来说，积极的反馈正是我们所需要的。在没有反馈的情况下，如果比较器的一个输入缓慢地越过另一个输入的电平，输出将慢慢开始变化。如果系统中存在噪声，例如接地反弹，输出可能会反转，这在控制系统中肯定是不可取的。但随后它开始变回去，导致振荡行为，有时称为颤振（参见MT-083中的图52).增加正反馈（也称为迟滞）的好处在Reza Moghimi的文章“用滞后治疗比较器不稳定性”中得到了很好的介绍。3

图2.经典的 3 运算放大器仪表放大器。

对于仪表放大器，反馈已经是内部的，因此增加反馈只会产生不准确的增益。利用运算放大器构建仪表放大器的典型方法如图2所示。

注意：每个运算放大器都有反馈。让我们首先使用标准负反馈图（见图3），仪表放大器为G，所需增益为10，这意味着反馈因子为0.1。接下来，选择仪表放大器固定增益100。使用公式1，实际闭环增益为9.09，误差接近10%。因此，使用仪表放大器三角形作为运算放大器并在其周围放置反馈是没有意义的。

对于运算放大器，我们确实需要负反馈;对于比较器，我们确实需要积极的反馈;对于仪表放大器，我们不需要任何反馈。

开环和闭环增益

对于运算放大器，从公式1可以看出，开环增益越高（A卷），闭环增益将越精确。大多数运算放大器的开环增益在100，000到1000万之间，但一些较旧的高速运算放大器可能低至3000。如前所述，开环增益越高，闭环增益误差越低。

对于比较器，如果输出端的逻辑摆幅为3 V，并且需要1 mV阈值，则最小增益需要为3000。较高的增益将提供更小的不确定窗口，但如果增益过高，微伏噪声将触发比较器。

对于仪表放大器，开环增益的概念并不适用。

输入电容器

电容器通常被添加到电路中以限制带宽。从图4看，乍一看，R1和C1似乎形成了一个低通滤波器。这不起作用，并可能导致振荡。反相放大器的反馈因数为R2/R1，但在图4中，反馈因数为R2/（R1 + Xc）。随着频率的增加，反馈因数增加，因此噪声增益以+20 dB/十倍频程上升，而运算放大器开环增益以–20 dB/十倍频程下降。它们以 40 dB 的分贝交叉，根据控制系统理论，这保证了振荡。限制电路带宽的正确方法是将电容放在R2两端。

图4.尝试降低运算放大器带宽。

比较器通常没有负反馈网络，因此图5中比较器前面的简单R和C构成一个低通滤波器效果很好。R海斯应该比R7大得多，两者分压输出摆幅以提供少量的正反馈（迟滞）。如果比较器具有内置迟滞，例如LTC6752或ADCMP391，则R7和R海斯未使用。

图5.具有LPF和迟滞的比较器。

对于仪表放大器，输入端的电容是完全可以接受的，如图6中的C4所示。ADI公司仪器指南第5章中的图4显示每次使用仪表放大器时要做的好事。如果用适当的走线和焊盘布置印刷电路板以允许添加两个电阻器和三个电容器，则可以从 0 Ω 个电阻和无电容器开始，并测量系统性能。通过调整五个分量的值，可以独立设置共模滚降和普通模式滚降（有关详细信息，请参阅指南）。

图6.仪表放大器前的RFI滤波器。

Outputs

运算放大器或仪表放大器的输出摆幅从靠近一个电源轨到另一个电源轨。根据输出级是使用共发射极还是共源极配置，其电压可能在25 mV至200 mV范围内。这将被视为轨到轨输出。如果运算放大器由+15 V和–15 V供电，则不方便与数字电路接口。已经尝试过的一种糟糕的解决方案是在输出端放置二极管箝位，以保护数字输入免受损坏。相反，运算放大器电流会变得很高，运算放大器会损坏。将运算放大器连接到数字逻辑有更复杂的方法，但何必呢？只需使用比较器即可。

比较器可以具有CMOS图腾柱输出，或者NPN或NMOS集电极开路或漏极开路输出。虽然集电极开路或漏极开路输出需要上拉电阻，导致上升和下降时间不相等，但它确实具有在一个电压（例如5 V）下工作比较器并与工作在不同电压（如3.3 V）下的逻辑接口的优势。

重要规格

对于运算放大器，我们需要高于最高信号频率的增益带宽，以保持较低的闭环误差。从公式1可以看出，增益带宽规则应该是最高信号频率的10到100倍。如前所述，从公式 1 中，请注意 A卷是频率的函数，会影响闭环精度。相位裕量也很重要，并且会随容性负载而变化，因此规格表应明确说明测试条件。对于直流精度，失调电压应较低。对于经过调整的双极性运算放大器，25 μV至100 μV很好;对于FET输入运算放大器，200 μV至500 μV很好。自动归零/斩波器/零漂移运算放大器几乎始终低于20 μV最大值，这是在整个温度范围内。有关示例，请参见一些典型的运算放大器数据手册，例如OP27、AD8610或ADA4522。

图7.具有高共模摆幅的双向电流检测。

传播延迟是比较器的关键规格。与过驱动时变慢的运算放大器相反，比较器在过驱动时会变快。规格表有时会具有具有少量过驱（例如5 mV）的传播延迟，以及具有50 mV甚至100 mV较大过驱的不同延迟。

仪表放大器的首要规格是共模抑制比（CMRR）。您正在尝试在大共模电压之上提取非常小的差分信号。与许多规格一样，这随频率而变化，有时会列出直流CMRR或非常低频率的CMRR。通常提供CMRR与频率的关系图。例如，如果您尝试检测H桥电机驱动器中的电流，如图7所示，这一点非常重要。

对于仪表放大器来说，这可能是最困难的应用，因为共模电压从一个电源轨附近变为靠近另一个电源轨，并且电流会迅速反转。增益带宽和压摆率都很重要。

编程

从这个意义上说，编程并不意味着编写代码;这意味着配置器件以满足系统要求（尽管有些仪表放大器确实具有带有SPI端口和寄存器的传统软件编程功能）。

对于运算放大器，我们配置具有负反馈的器件。这可以是纯电阻元件，但通常电阻与电容器并联使用以限制带宽。这有助于提高信噪比，因为噪声将在整个范围内积分，即使我们只使用其中的一部分。您也可以单独使用电容器，并获得积分器或微分器。

比较器应始终具有一些正反馈，以确保一旦输入迫使输出移动，输出就会加强移动（参见图4和图5）。图片和计算包含在MT-083中。一些比较器确实有内部迟滞，但如果需要，您通常可以添加更多。一些具有内部迟滞的比较器有一个引脚，用于添加电阻以稍微改变量。

可以使用运算放大器作为比较器，但这并不理想，并且有几个考虑因素。您必须是一个好的模拟者才能在生产环境中侥幸逃脱。MT-083 中有一些注意事项，并且已经写了许多赞成和反对的文章。如果您喜欢危险的生活，请参阅参考资料。

比较器几乎总是用电阻器编程。您可以添加一个高阻值电阻器以提供一点正反馈，也可以使用电容器进行交流反馈以避免增加直流迟滞。一些比较器具有内置迟滞，但同样可以通过添加少量正反馈来增加迟滞。

最后的考虑

当尝试使用运算放大器作为比较器时，会发生一些微妙的事情。相当多的低噪声双极性运算放大器在输入之间具有反并联二极管。大多数比较器的输入共模范围占总范围的80%或更多。但一些低噪声、双极性运算放大器在输入之间有一个或两个二极管串联。这是为了防止输入级与发射极基极结之一齐纳林，这会随着时间的推移降低噪声性能。

因此，在3.3 V系统中用作电源良好指示器阈值电平为3 V的比较器时，一个输入端为3 V，另一个输入端为0 V，因此这些二极管限制了运算放大器输入端允许的最大差分电压。

总结

对于许多应用，运算放大器的选择取决于您关注的是直流精度、交流精度、输入失调电压、增益带宽还是电源电压。到2020年，您有超过700种可供选择。比较器的关键参数通常是传播延迟和电源电压。选择稍微容易一些，有 122 个零件可供选择。仪表放大器的主要标准是CMRR与频率的函数关系，但接近直流、失调电压和增益精度也很重要。因为仪表放大器是一个更专业的部分，所以“只有”63种选择。

选择正确的零件将在未来几年内实现无故障、值得生产的设计。