一个简单的三角形符号到底意味着什么？

作者：Harry Holt，应用工程师   Mike Skroch，应用工程师

符号是有助于还是妨碍我们思考设计？

符号很重要，但如果一个符号可以表示多种东西呢？

正如我们将看到的那样，这可能会造成问题。在模拟世界中，三角形可以表示运算放大器、比较器或仪表放大器。您可以使用其中之一实现另一个的功能，但系统性能将不是最佳的。本文将讨论其区别以及需要注意的地方，以便我们设计的时候能绕开麻烦。我们将看到，在某些情况下，您根本不想尝试使用错误类型的器件进行设计。

查看图1，哪个三角形表示运算放大器？哪个三角形表示比较器？哪个三角形表示仪表放大器？答案：

它们都是！

图1.运算放大器、仪表放大器和比较器。

那么，它们有何区别，我们为什么要关注？从表1可知，某些特性有很大差别，但它们对电路和系统意味着什么？

表1.运算放大器、比较器和仪表放大器的比较

	运算放大器	比较器	仪表放大器
反馈	负	无/正	内部
开环增益	5k至1000万	3k至50k	固定在0.2至10k
闭环增益	通常<10,000		固定在0.2至10k
输入电容	无	可能有	良好
输出	模拟/线性	数字	模拟/线性
重要规格	VOS，GBW/PM	传输延迟	CMRR
编程	R或C	无	R、SPI、跳线

我们来看看大家是如何陷入困境的……

反馈

运算放大器具有巨大的增益。学校老师教导我们，开始分析时，两个输入之差等于零。但在现实生活中，这是不可能的。如果开环增益为一百万，那么要在输出上获得5 V，输入上须有5 μV。为使电路可用，我们需要施加反馈，当输出要变得过高时，控制信号会反馈到输入，抵消原始激励——例如负反馈。当用作比较器时，如果没有反馈，输出将直接冲到一个轨或另一个轨。如果是正反馈，输出将在同一方向上被驱动到更远。因此，运算放大器需要负反馈。实际上，当某些运算放大器用作无反馈的比较器时，电源电流可能比数据手册上的最大值高5至10倍1。

但是，对于比较器来说，正反馈才是我们需要的。在没有反馈的情况下，如果比较器的一个输入缓慢超过另一输入的电平，输出将开始缓慢变化。如果系统中存在噪声，例如接地反弹，输出可能会反转，这在控制系统中当然是不希望发生的。但随后它开始回头，产生振荡行为，有时称之为震颤（参见 MT-0832中的图5）。Reza Moghimi的文章“通过迟滞根除比较器的不稳定性”充分介绍了添加正反馈（也称为迟滞）的好处3。

图2.经典三运放仪表放大器

对于仪表放大器，反馈已在内部，添加反馈只会产生不精确的增益。图2显示了一种利用运算放大器构建仪表放大器的典型方法。

注意：每个运放都有反馈。我们从使用标准负反馈图（见图3）开始，仪表放大器为G，期望增益为10，这意味着反馈系数为0.1。接下来，选择仪表放大器固定增益为100。使用式1，实际的闭环增益将为9.09，几乎有10％的误差。因此，将仪表放大器用作运算放大器并为其添加反馈是没有意义的。

图3.经典反馈原理图

运算放大器需要负反馈；比较器需要正反馈；仪表放大器不需要任何反馈。

开环和闭环增益

对于运算放大器，参见式1，开环增益(AVOL)越高，闭环增益将越精确。大多数运算放大器的开环增益在100,000至1000万之间，但某些较早的高速运算放大器可能低至3000。如前所述，开环增益越高，闭环增益误差越小。

对于比较器，如果输出的逻辑摆幅为3 V，并且您需要1 mV阈值，则最小增益须为3000。较高的增益将使不确定性窗口变小，但如果增益过高，微伏级的噪声就会触发比较器。

对于仪表放大器，开环增益的概念并不适用。

输入电容

电路中常常会添加电容以限制带宽。检查图4，乍看之下R1和C1似乎构成了一个低通滤波器。这行不通，可能导致振荡。反相放大器的反馈系数为R2/R1，但在图4中，反馈系数为R2/(R1 // Xc)。随着频率提高，反馈系数也会提高，因此噪声增益以+20 dB/10倍频程的速率上升，而运算放大器开环增益以–20 dB/10倍频程的速率下降。它们在40 dB处交叉，根据控制系统理论，这肯定会产生振荡。限制电路带宽的正确方法是在R2两端放置电容。

图4.尝试减少运算放大器带宽

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构成的低通滤波器效果很好。RHYS 应比R7大得多，两者分割输出摆幅以提供少量的正反馈（迟滞）。如果比较器有内置迟滞，例如LTC6752或ADCMP391，则不使用R7和RHYS 。

图5.具有LPF和迟滞的比较器

对于仪表放大器，输入端放置电容是完全可以接受的，如图6中的C4所示。ADI公司仪器仪表指南4第5章中的图形显示了每次使用仪表放大器时都要做的一件好事情。如果用适当的走线和焊盘对印刷电路板进行布局，以允许添加两个电阻和三个电容，那么可以从0Ω电阻和无电容开始，测量系统性能。通过调整五个元件的值，可以单独设置共模滚降和正常模式滚降（详情参见指南）。

图6.RFI滤波器前置于仪表放大器

输出

运算放大器或仪表放大器的输出会从接近一个轨摆动到另一个轨。根据输出级是使用共射极还是共源极配置，输出可能达到任一供电轨的25 mV至200 mV范围内。这被视为轨到轨输出。如果运算放大器由+15 V和–15 V供电，则不便于与数字电路接口。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。但取而代之的是，运算放大器因电流过高而损坏。运算放大器与数字逻辑接口有更复杂的方法，但何必那么麻烦？只需使用比较器即可。

比较器可以有CMOS图腾柱输出，或者有NPN或NMOS开集或开漏输出。虽然开集或开漏输出需要一个上拉电阻，导致上升和下降时间不等，但它有如下优点：比较器采用一个电压（如5 V）供电，并在其他电压（如3.3 V）下与逻辑接口。

重要规格

运算放大器需要一个高于最高信号频率的增益带宽，以使闭环误差保持较低水平。查看式1，我们知道增益带宽应为最高信号频率的10至100倍。如前所述，从式1中可以看出，AVOL 是频率的函数，会影响闭环精度。相位裕量也很重要，它会随容性负载而变化，因此规格表应清楚说明测试条件。为了确保直流精度，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比较好；对于FET输入运算放大器，200 μV至500 μV比较好。自稳零/斩波/零漂移运算放大器几乎总是低于20 μV（最大值），这是就整个温度范围而言的。请查阅一些典型运算放大器的数据手册，如ADA4077、ADA4084、ADA4622或ADA4522。

传输延迟是比较器的关键规格。运算放大器在过驱时会变慢，比较器与之不同，当过驱时会变快。规格表有时会提供少量过驱（例如5 mV）下的传输延迟，以及50 mV甚至100 mV的较大过驱下的不同传输延迟。

仪表放大器最重要的指标是共模抑制比(CMRR)，因为应用需要提取一个位于大共模电压之上的非常小的差模信号。像许多规格一样，此规格随频率而变化，有时还会列出直流CMRR或非常低频率下的CMRR。通常会提供CMRR与频率的关系图。例如，当检测H桥电机驱动器中的电流时，此图将非常重要，如图7所示。

这可能是仪表放大器最困难的应用，因为共模电压从一个轨附近变到接近另一个轨，并且电流迅速反向。增益带宽和压摆率都很重要。

编程

这里的编程并不意味着编写代码，它是指配置器件以满足系统要求（尽管某些仪表放大器确实有通过SPI端口和寄存器进行传统软件编程的功能）。

运算放大器需配置为负反馈。这可以是纯阻性元件，但通常将电阻与电容并联使用以限制带宽。这样有助于提高信噪比，因为噪声会在整个范围内积分，哪怕我们仅使用其中一部分。也可以只使用电容，获得一个积分器或微分器。

比较器应始终有一点正反馈，以确保一旦输入迫使输出移动，输出就会强化移动（参见图4和图5）。图片和计算参见MT-083。一些比较器具有内部迟滞，但如果需要，通常可以增加更多迟滞。一些具有内部迟滞的比较器有一个引脚用来添加一个电阻，以改变其迟滞量。

运算放大器可以用作比较器，但这并不理想，有一些事项要注意。您必须是一个很好的模拟设计人员才能很好地做到这一点。MT-083介绍了一些注意事项，讨论其利弊的相关文章有很多。如果您不惧危险，可以查阅参考资料。

图7.具有高共模摆幅的双向电流检测

比较器几乎总是用电阻进行编程。您可以添加一个高阻值电阻来提供一点正反馈，也可以使用一个电容来提供交流反馈以避免增加直流迟滞。一些比较器具有内置迟滞，但这同样可以通过增加少量正反馈来提高。

最后注意事项

尝试将运算放大器用作比较器时，会有微妙的事情发生。有不少低噪声双极性运算放大器的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。但是，某些低噪声双极性运算放大器的输入之间有一个或两个串联二极管。这是为了防止输入级与发射极基极结之一形成齐纳效应，导致噪声性能随时间推移而降低。

在一个3.3 V系统中，如果将5 V运算放大器用作比较器，电源良好指示器的阈值电平为3 V，那么会出现一个输入为3 V而另一个输入为0 V的问题，因为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用户是注重直流精度、交流精度、输入失调电压、增益带宽还是电源电压。到2020年，有超过700款器件可供选择。比较器的关键参数通常是传输延迟和电源电压。选择起来比较容易，共有122款器件可供选择。仪表放大器的主要标准是CMRR与频率的关系，但在DC附近，失调电压和增益精度也很重要。由于仪表放大器是专用的器件，因此“只有”63款可供选择。

只有选择正确的器件，才能实现未来若干年内无故障且可以大批量生产的产品和设计。

参考文献

1 Harry Holt。“运算放大器的“最大电源电流”规格”。ADI公司，2011年11月。

2 MT-083教程：“比较器”。ADI公司，2009年。

3 Reza Moghimi。“通过迟滞根除比较器的不稳定性”。《模拟对话》，第34卷第7期，2000年11月。

4 《仪表放大器应用工程师指南》，第3版 。ADI公司，2006年。

作者简介

Harry Holt曾是ADI公司（美国加利福尼亚州圣何塞）应用工程师，任职14年，最后任职部门是核心应用部。之前他曾在美国国家半导体公司工作了27年，从事各种产品的现场和工厂应用，包括数据转换器、运算放大器、基准源、音频编解码器和FPGA。他拥有圣何塞州立大学电气工程学士学位(BSEE)，并且是国家工程荣誉协会(Tau Beta Pi)终身会员和IEEE高级终身会员。Harry于2017年8月退休。

Mike Skroch是一名应用工程师，负责为美国东部销售部门在中部和大湖区的FAE团队提供支持。他于2014年加入凌力尔特公司，然后于2017年成为ADI公司的一名成员。进入半导体行业之前，他在电信行业工作了16年，担任过各种角色，为制造、测试开发、退货和维修以及研发提供支持。联系方式：mike.skroch@analog.com。