運(yùn)放、比較器和儀表放大器：這三種“三角形”器件，如何區(qū)分如何選？

大家有沒有留意，在模擬電路圖上，無論是運(yùn)算放大器、比較器、還是儀表放大器，工程師都會用同一個圖案來表達(dá)(即下圖1)。

圖1 ：同時表達(dá)運(yùn)算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號

如果我們在芯片規(guī)格書內(nèi)看到“三角形”器件，在選料時是否意味著可以把它應(yīng)用于任何地方？理論上是可以的。您可以強(qiáng)制其中之一來實(shí)現(xiàn)其他功能，但系統(tǒng)性能不會達(dá)至最佳。因此，原廠一般會在規(guī)格書內(nèi)列出了其器件的建議應(yīng)用。

通過本文，讓我們看看它們之間的區(qū)別以及選型應(yīng)用時需要注意的地方，以便我們盡可能圍繞它們進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時也深入了解如何使用參數(shù)篩選來找到合適的運(yùn)算放大器。

下面的表 1 中總結(jié)了三個器件的重要參數(shù)或規(guī)格之間的差異。

表1 ：運(yùn)算放大器、比較器和儀表放大器的比較 (資料來源：ADI)

反饋的特性

先來看看“運(yùn)算放大器”應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)哪些功能。由于運(yùn)算放大器具有巨大的增益，從理論上講，為使電路可用，我們需要施加反饋。當(dāng)輸出要變得過高時，控制信號會反饋到輸入，抵消原始激勵，即是需要“負(fù)反饋”。如果將運(yùn)算放大器刻意設(shè)計(jì)成比較器，當(dāng)其高速工作時，為防止輸出將直接沖到一個軌或另一個軌，這時候便需要“負(fù)反饋”。

但是，對于比較器的應(yīng)用，正反饋才是我們需要的。在沒有反饋的情況下，如果比較器的一個輸入緩慢超過另一輸入的電平，輸出會開始緩慢變化。但假如系統(tǒng)中存在噪聲，例如接地回反彈，輸出可能會受影響，因此比較器加入正反饋，可使比較器反應(yīng)比較慢，造成遲滯，使其對微小變化也不敏感，這有助抗干擾能力。

相反，儀表放大器本身反饋已經(jīng)在內(nèi)部，因此將儀表放大器用作運(yùn)算放大器并為其添加反饋，是沒有意義的。以ADI公司AD621系列儀表放大器作例子，圖2顯示了該器件內(nèi)已包含了工三個運(yùn)算放大器。

圖2 ：AD621系列“三運(yùn)放”儀表放大器(圖片來源：ADI)

運(yùn)算放大器的反饋等式：

利用(1)，假設(shè)儀表放大器為G，期望增益為10，如接上負(fù)反饋，這意味著反饋系數(shù)為0.1。接下來，選擇儀表放大器固定增益為100，得出實(shí)際的閉環(huán)增益將為9.09，幾乎有10％的誤差。

元器件選型

為方便工程師能夠款速找出并訪問運(yùn)算放大器、比較器 或儀表放大器產(chǎn)品系列的技術(shù)資料，Digi-Key 官網(wǎng)已在產(chǎn)品目錄中列明了相應(yīng)元器件的類型。

圖3. 運(yùn)算放大器、比較器和儀表放大器在Digi-Key產(chǎn)品目錄的分類顯示

開環(huán)和閉環(huán)增益

如上所述，對于運(yùn)算放大器，參考等式（1），開環(huán)增益（AVOL）越高，閉環(huán)增益越準(zhǔn)確，誤差越小。

比較器用于開環(huán)系統(tǒng)，旨在從其輸出端驅(qū)動邏輯電路。如果輸出的邏輯擺幅為3V，需要1mV閾值(閾值)，則最小增益可能約為3000。除了要考慮系統(tǒng)的帶寬要求，也需要解決噪聲問題。較高的增益可使不確定性窗口變小，但如果增益過高，微伏級的噪聲就會觸發(fā)比較器。

對于儀表放大器，開環(huán)增益的概念并不適用。

元器件選型

Digi-Key 官網(wǎng)對于運(yùn)算放大器的篩選表已經(jīng)清楚地列出了帶寬的參數(shù)，可見其覆蓋范圍非常寬，這使得當(dāng)工程師選擇這3款產(chǎn)品時，可以對它們有大概的理解。例如-3db帶寬，如忽略儀表放大器及比較器的選項(xiàng)，由于運(yùn)算放大器包括很多類型，可以看到-3db 帶寬包含很大頻率的范圍，最高更可達(dá)數(shù)十GHz.

圖4：Digi-Key官網(wǎng)中“-3db 帶寬”選項(xiàng)顯示

輸入電容

如上述，對于運(yùn)算放大器，讓我們來看看以下圖5中加入輸入電容的方式。乍看之下，R1和C1似乎構(gòu)成了一個低通濾波器，但其實(shí)這樣是行不通的，還可能會產(chǎn)生振蕩。未加上電容的方式，其反饋系數(shù)為R2/R1，但如果將電容加在兩者間，反饋系數(shù)將變?yōu)镽2/(R1 // Xc)，隨著頻率提高，反饋系數(shù)也會提高，因此噪聲增益以+ 20dB/10倍頻程的速率上升，而運(yùn)算放大器開環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降，它們會在40dB處交叉位相遇，即導(dǎo)致振蕩。

圖5 ：其中一個方法“嘗試”減少運(yùn)算放大器帶寬 (圖片來源：ADI)

比較可行的限制電路帶寬的方法，是在R2兩端放置電容(C2)，如圖6 。

圖6 ：通過在R2兩端放置電容減少運(yùn)算放大器帶寬(圖片來源:ADI)

相反，比較器通常沒有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，因此圖7中比較器前面的簡單R和C構(gòu)成的低通濾波器是可行的。

圖7：比較器前面的簡單R和C構(gòu)成的低通濾波器 (圖片來源：ADI)

對于儀表放大器，在輸入端放置電容器是完全可以接受的。如果在電路上允許增加元件和適當(dāng)?shù)卦陔娐钒迳喜季植季€，如以下圖中ADI的AD8220為例，是一個較廣泛使用的差分射頻干擾(RFI) 濾波器應(yīng)用電路圖，它還加入了電容器使系統(tǒng)穩(wěn)定并提高性能。

圖8 ：AD8220的”RFI濾波器“應(yīng)用電路圖 (圖片來源：ADI)

除了 RFI 抑制之外，該濾波器還提供額外的輸入過載保護(hù)，因?yàn)殡娮杵?R5 和 R6 有助于將儀表放大器的輸入電路與外部信號源隔離。但唯一需要考慮的是濾波器形成一個橋式電路，其輸出出現(xiàn)在儀表放大器的輸入引腳上。因此，C3/R5 和 C5/R6 的時間常數(shù)之間的任何不匹配都會使電橋不平衡并降低高頻共模抑制。因此，電阻器 R5 和 R6 以及電容器 C3 和 C5 需要相等。

輸出

在應(yīng)用中，運(yùn)算放大器或儀表放大器的輸出將從靠近一個軌到另一軌擺動。根據(jù)輸出級是使用共發(fā)射極還是共源配置，輸出可能會達(dá)到任何電源軌內(nèi)的 25mV 至 200mV 范圍。但是，如果運(yùn)算放大器由+15V和-15V供電，則這種類型的軌到軌不便于與數(shù)字電路接口。一種較差和較復(fù)雜的方法，是在輸出端放置一個二極管鉗位，以保護(hù)數(shù)字輸入不受損壞，但運(yùn)放也會因電流過大而損壞，所以使用比較器是最簡易的解決方案。

比較器可以有不同輸出類型，例如CMOS、TLL、NMOS或開漏輸出。雖然開集或開漏輸出需要一個上拉電阻，導(dǎo)致上升和下降時間不等，但它可取之處是雖然采用一個電壓（如5V）供電，但仍能在其他電壓（如3.3 V）下與邏輯接口運(yùn)作。

元器件選型

運(yùn)算放大器、比較器或儀表放大器的輸出（包括輸出類型和電流輸出量）對電路設(shè)計(jì)非常重要。Digi-Key 官網(wǎng)上的產(chǎn)品篩選項(xiàng)目也有詳細(xì)列示。

圖9 ：Digi-Key官網(wǎng)上運(yùn)算放大器及儀表放大器「輸出」選項(xiàng)顯示

圖10 ：Digi-Key官網(wǎng)上比較器「輸出」選項(xiàng)顯示

重要參數(shù)

增益帶寬

對于運(yùn)算放大器，我們需要一個高于最高信號頻率的增益帶寬，以保持較低閉環(huán)誤差。查看上文的等式(1)，我們可以看到增益帶寬應(yīng)為最高信號頻率的10至100倍。從等式(1)可以看出，如前所述，AVOL是頻率的函數(shù)，會影響閉環(huán)精度。

相位裕度

相位裕度會隨容性負(fù)載而變化，因此規(guī)格書應(yīng)清楚說明測試條件。為了確保直流精度，失調(diào)電壓應(yīng)較低。對于修整的雙極型運(yùn)算放大器，25μV至100μV是較好的。對于FET輸入運(yùn)算放大器，200μV至500μV是較好的。

傳輸延遲

對于比較器，傳輸延遲是重要參數(shù)之一。與運(yùn)算放大器相比，運(yùn)算放大器在過驅(qū)動時變慢，但比較器在過驅(qū)動時會變快。規(guī)格書有時會提供在少量過驅(qū)動下（例如5 mV）的傳輸延遲，又或會提供較大的50mV甚至100 mV過驅(qū)動下不同的傳輸延遲資料。

共模抑制比 (CMRR)

儀表放大器的重要參數(shù)是共模抑制比（CMRR）。CMRR 就是差分增益與共模增益之比，根據(jù)以下公式， 其單位可以是V/V 或dB.

共模抑制比隨頻率而變化，如下圖11 所示 AD8422 共模抑制比與頻率的關(guān)系。此外，有時規(guī)格書還會列出直流CMRR或非常低頻率的CMRR。

圖11：AD8422 共模抑制比與頻率的關(guān)系 (圖片來源：ADI)

如果您要檢測H橋電機(jī)驅(qū)動器中的電流，或使用儀表放大器 (如AD8207) 進(jìn)行雙向共模高擺幅電流檢測，如圖11所示使用的驅(qū)動應(yīng)用圖。

圖12：使用AD8207進(jìn)行雙向共模高擺幅電流檢測 (圖片來源:ADI)

這可能是儀表放大器最困難的應(yīng)用，因?yàn)楣材ｋ妷菏菑囊粋€軌附近變到另一個軌附近，并且電流迅速反向。增益帶寬和壓擺率都很重要。

編程

這里的“編程“并不是代表編寫代碼，而是指需要配置器件以滿足系統(tǒng)要求（盡管某些儀表放大器確實(shí)已具有帶SPI端口和寄存器進(jìn)行傳統(tǒng)軟件編程的功能）。對于運(yùn)算放大器，我們將器件配置為負(fù)反饋。這可以使用純電阻性元件，但通常是將電阻器與電容器并聯(lián)使用來限制帶寬。這將有助于提高信噪比，因?yàn)榧词刮覀儍H使用一部分噪聲，也會在整個范圍內(nèi)對其進(jìn)行積分，也可以使用不同電容器而獲得積分器或微分器。

比較器應(yīng)該會設(shè)計(jì)為正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動，輸出就會加強(qiáng)移動。一些比較器的確具有內(nèi)部遲滯，但是如果需要，通?？梢蕴砑痈嗟倪t滯。一些具有內(nèi)部遲滯的比較器具有一個引腳，用于添加一個電阻以稍微改變其遲滯量。

工程師可以將運(yùn)算放大器用作比較器，但這并不理想，如前所述，這樣做需要注意的事項(xiàng)很多。直接使用比較器的好處是幾乎只需要電阻作編程。您可以添加一個高阻值電阻以提供一點(diǎn)正反饋。

總結(jié)

以往工程師在選擇運(yùn)算放大器時，會聚焦于個別的特性，例如直流及交流精度、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬等規(guī)格是否適合系統(tǒng)，但現(xiàn)今的運(yùn)算放大器產(chǎn)品眾多，在這情況下，不少生產(chǎn)商已經(jīng)根據(jù)不同的應(yīng)用將運(yùn)算放大器產(chǎn)品分類，如文章中所介紹的比較器及儀表放大器，這有助于在選料時縮小目標(biāo)范圍，加之Digi-Key 官網(wǎng)上提供清晰的分類及參數(shù)篩選工具，這使得工程師可以更省時、更準(zhǔn)確地找到合適的運(yùn)算放大器。