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It’s Just a Triangle, or What Does a Symbol Really Mean? 作者：Harry Holt，應用工程師 Mike Skroch，應用工程師 符號是有助于還是妨礙我們思考設計？ 符號很重要，但如果一個(gè)符號可以表示多種東西呢？ 正如我們將看到的那樣，這可能會(huì )造成問(wèn)題。在模擬世界中，三角形可以表示運算放大器、比較器或儀表放大器。您可以使用其中之一實(shí)現另一個(gè)的功能，但系統性能將不是最佳的。本文將討論其區別以及需要注意的地方，以便我們設計的時(shí)候能繞開(kāi)麻煩。我們將看到，在某些情況下，您根本不想嘗試使用錯誤類(lèi)型的器件進(jìn)行設計。 查看圖1，哪個(gè)三角形表示運算放大器？哪個(gè)三角形表示比較器？哪個(gè)三角形表示儀表放大器？答案： 它們都是！ 
圖1.運算放大器、儀表放大器和比較器。 那么，它們有何區別，我們?yōu)槭裁匆P(guān)注？從表1可知，某些特性有很大差別，但它們對電路和系統意味著(zhù)什么？ 表1.運算放大器、比較器和儀表放大器的比較
我們來(lái)看看大家是如何陷入困境的…… 反饋 運算放大器具有巨大的增益。學(xué)校老師教導我們，開(kāi)始分析時(shí)，兩個(gè)輸入之差等于零。但在現實(shí)生活中，這是不可能的。如果開(kāi)環(huán)增益為一百萬(wàn)，那么要在輸出上獲得5 V，輸入上須有5 μV。為使電路可用，我們需要施加反饋，當輸出要變得過(guò)高時(shí)，控制信號會(huì )反饋到輸入，抵消原始激勵——例如負反饋。當用作比較器時(shí)，如果沒(méi)有反饋，輸出將直接沖到一個(gè)軌或另一個(gè)軌。如果是正反饋，輸出將在同一方向上被驅動(dòng)到更遠。因此，運算放大器需要負反饋。實(shí)際上，當某些運算放大器用作無(wú)反饋的比較器時(shí)，電源電流可能比數據手冊上的最大值高5至10倍1。 但是，對于比較器來(lái)說(shuō)，正反饋才是我們需要的。在沒(méi)有反饋的情況下，如果比較器的一個(gè)輸入緩慢超過(guò)另一輸入的電平，輸出將開(kāi)始緩慢變化。如果系統中存在噪聲，例如接地反彈，輸出可能會(huì )反轉，這在控制系統中當然是不希望發(fā)生的。但隨后它開(kāi)始回頭，產(chǎn)生振蕩行為，有時(shí)稱(chēng)之為震顫（參見(jiàn) MT-0832中的圖5）。Reza Moghimi的文章“通過(guò)遲滯根除比較器的不穩定性”充分介紹了添加正反饋（也稱(chēng)為遲滯）的好處3。
圖2.經(jīng)典三運放儀表放大器 對于儀表放大器，反饋已在內部，添加反饋只會(huì )產(chǎn)生不精確的增益。圖2顯示了一種利用運算放大器構建儀表放大器的典型方法。 注意：每個(gè)運放都有反饋。我們從使用標準負反饋圖（見(jiàn)圖3）開(kāi)始，儀表放大器為G，期望增益為10，這意味著(zhù)反饋系數為0.1。接下來(lái)，選擇儀表放大器固定增益為100。使用式1，實(shí)際的閉環(huán)增益將為9.09，幾乎有10％的誤差。因此，將儀表放大器用作運算放大器并為其添加反饋是沒(méi)有意義的。
圖3.經(jīng)典反饋原理圖
運算放大器需要負反饋；比較器需要正反饋；儀表放大器不需要任何反饋。 開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益 對于運算放大器，參見(jiàn)式1，開(kāi)環(huán)增益(AVOL)越高，閉環(huán)增益將越精確。大多數運算放大器的開(kāi)環(huán)增益在100,000至1000萬(wàn)之間，但某些較早的高速運算放大器可能低至3000。如前所述，開(kāi)環(huán)增益越高，閉環(huán)增益誤差越小。 對于比較器，如果輸出的邏輯擺幅為3 V，并且您需要1 mV閾值，則最小增益須為3000。較高的增益將使不確定性窗口變小，但如果增益過(guò)高，微伏級的噪聲就會(huì )觸發(fā)比較器。 對于儀表放大器，開(kāi)環(huán)增益的概念并不適用。 輸入電容 電路中常常會(huì )添加電容以限制帶寬。檢查圖4，乍看之下R1和C1似乎構成了一個(gè)低通濾波器。這行不通，可能導致振蕩。反相放大器的反饋系數為R2/R1，但在圖4中，反饋系數為R2/(R1 // Xc)。隨著(zhù)頻率提高，反饋系數也會(huì )提高，因此噪聲增益以+20 dB/10倍頻程的速率上升，而運算放大器開(kāi)環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降。它們在40 dB處交叉，根據控制系統理論，這肯定會(huì )產(chǎn)生振蕩。限制電路帶寬的正確方法是在R2兩端放置電容。
圖4.嘗試減少運算放大器帶寬 比較器通常沒(méi)有負反饋網(wǎng)絡(luò )，因此圖5中比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構成的低通濾波器效果很好。RHYS 應比R7大得多，兩者分割輸出擺幅以提供少量的正反饋（遲滯）。如果比較器有內置遲滯，例如LTC6752或ADCMP391，則不使用R7和RHYS 。
圖5.具有LPF和遲滯的比較器 對于儀表放大器，輸入端放置電容是完全可以接受的，如圖6中的C4所示。ADI公司儀器儀表指南4第5章中的圖形顯示了每次使用儀表放大器時(shí)都要做的一件好事情。如果用適當的走線(xiàn)和焊盤(pán)對印刷電路板進(jìn)行布局，以允許添加兩個(gè)電阻和三個(gè)電容，那么可以從0Ω電阻和無(wú)電容開(kāi)始，測量系統性能。通過(guò)調整五個(gè)元件的值，可以單獨設置共模滾降和正常模式滾降（詳情參見(jiàn)指南）。
圖6.RFI濾波器前置于儀表放大器 輸出 運算放大器或儀表放大器的輸出會(huì )從接近一個(gè)軌擺動(dòng)到另一個(gè)軌。根據輸出級是使用共射極還是共源極配置，輸出可能達到任一供電軌的25 mV至200 mV范圍內。這被視為軌到軌輸出。如果運算放大器由+15 V和–15 V供電，則不便于與數字電路接口。一種糟糕的解決方案是在輸出端放置二極管箝位，以保護數字輸入免受損壞。但取而代之的是，運算放大器因電流過(guò)高而損壞。運算放大器與數字邏輯接口有更復雜的方法，但何必那么麻煩？只需使用比較器即可。 比較器可以有CMOS圖騰柱輸出，或者有NPN或NMOS開(kāi)集或開(kāi)漏輸出。雖然開(kāi)集或開(kāi)漏輸出需要一個(gè)上拉電阻，導致上升和下降時(shí)間不等，但它有如下優(yōu)點(diǎn)：比較器采用一個(gè)電壓（如5 V）供電，并在其他電壓（如3.3 V）下與邏輯接口。 重要規格 運算放大器需要一個(gè)高于最高信號頻率的增益帶寬，以使閉環(huán)誤差保持較低水平。查看式1，我們知道增益帶寬應為最高信號頻率的10至100倍。如前所述，從式1中可以看出，AVOL 是頻率的函數，會(huì )影響閉環(huán)精度。相位裕量也很重要，它會(huì )隨容性負載而變化，因此規格表應清楚說(shuō)明測試條件。為了確保直流精度，失調電壓應較低。對于經(jīng)過(guò)調整的雙極性運算放大器，25 μV至100 μV比較好；對于FET輸入運算放大器，200 μV至500 μV比較好。自穩零/斬波/零漂移運算放大器幾乎總是低于20 μV（最大值），這是就整個(gè)溫度范圍而言的。請查閱一些典型運算放大器的數據手冊，如ADA4077、ADA4084、ADA4622或ADA4522。 傳輸延遲是比較器的關(guān)鍵規格。運算放大器在過(guò)驅時(shí)會(huì )變慢，比較器與之不同，當過(guò)驅時(shí)會(huì )變快。規格表有時(shí)會(huì )提供少量過(guò)驅?zhuān)ɡ? mV）下的傳輸延遲，以及50 mV甚至100 mV的較大過(guò)驅下的不同傳輸延遲。 儀表放大器最重要的指標是共模抑制比(CMRR)，因為應用需要提取一個(gè)位于大共模電壓之上的非常小的差模信號。像許多規格一樣，此規格隨頻率而變化，有時(shí)還會(huì )列出直流CMRR或非常低頻率下的CMRR。通常會(huì )提供CMRR與頻率的關(guān)系圖。例如，當檢測H橋電機驅動(dòng)器中的電流時(shí)，此圖將非常重要，如圖7所示。 這可能是儀表放大器最困難的應用，因為共模電壓從一個(gè)軌附近變到接近另一個(gè)軌，并且電流迅速反向。增益帶寬和壓擺率都很重要。 編程 這里的編程并不意味著(zhù)編寫(xiě)代碼，它是指配置器件以滿(mǎn)足系統要求（盡管某些儀表放大器確實(shí)有通過(guò)SPI端口和寄存器進(jìn)行傳統軟件編程的功能）。 運算放大器需配置為負反饋。這可以是純阻性元件，但通常將電阻與電容并聯(lián)使用以限制帶寬。這樣有助于提高信噪比，因為噪聲會(huì )在整個(gè)范圍內積分，哪怕我們僅使用其中一部分。也可以只使用電容，獲得一個(gè)積分器或微分器。 比較器應始終有一點(diǎn)正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動(dòng)，輸出就會(huì )強化移動(dòng)（參見(jiàn)圖4和圖5）。圖片和計算參見(jiàn)MT-083。一些比較器具有內部遲滯，但如果需要，通�？梢栽黾痈噙t滯。一些具有內部遲滯的比較器有一個(gè)引腳用來(lái)添加一個(gè)電阻，以改變其遲滯量。 運算放大器可以用作比較器，但這并不理想，有一些事項要注意。您必須是一個(gè)很好的模擬設計人員才能很好地做到這一點(diǎn)。MT-083介紹了一些注意事項，討論其利弊的相關(guān)文章有很多。如果您不懼危險，可以查閱參考資料。
圖7.具有高共模擺幅的雙向電流檢測 比較器幾乎總是用電阻進(jìn)行編程。您可以添加一個(gè)高阻值電阻來(lái)提供一點(diǎn)正反饋，也可以使用一個(gè)電容來(lái)提供交流反饋以避免增加直流遲滯。一些比較器具有內置遲滯，但這同樣可以通過(guò)增加少量正反饋來(lái)提高。 最后注意事項 嘗試將運算放大器用作比較器時(shí)，會(huì )有微妙的事情發(fā)生。有不少低噪聲雙極性運算放大器的輸入之間具有反并聯(lián)二極管。大多數比較器的輸入共模范圍占總范圍的80％或更多。但是，某些低噪聲雙極性運算放大器的輸入之間有一個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)二極管。這是為了防止輸入級與發(fā)射極基極結之一形成齊納效應，導致噪聲性能隨時(shí)間推移而降低。 在一個(gè)3.3 V系統中，如果將5 V運算放大器用作比較器，電源良好指示器的閾值電平為3 V，那么會(huì )出現一個(gè)輸入為3 V而另一個(gè)輸入為0 V的問(wèn)題，因為這些二極管限制了運算放大器輸入端允許的最大差分電壓。 總結 對于許多應用，運算放大器的選擇取決于用戶(hù)是注重直流精度、交流精度、輸入失調電壓、增益帶寬還是電源電壓。到2020年，有超過(guò)700款器件可供選擇。比較器的關(guān)鍵參數通常是傳輸延遲和電源電壓。選擇起來(lái)比較容易，共有122款器件可供選擇。儀表放大器的主要標準是CMRR與頻率的關(guān)系，但在DC附近，失調電壓和增益精度也很重要。由于儀表放大器是專(zhuān)用的器件，因此“只有”63款可供選擇。 只有選擇正確的器件，才能實(shí)現未來(lái)若干年內無(wú)故障且可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和設計。 參考文獻 1 Harry Holt�！斑\算放大器的“最大電源電流”規格”。ADI公司，2011年11月。 2 MT-083教程：“比較器”。ADI公司，2009年。 3 Reza Moghimi�！巴ㄟ^(guò)遲滯根除比較器的不穩定性”�！赌M對話(huà)》，第34卷第7期，2000年11月。 4 《儀表放大器應用工程師指南》，第3版 。ADI公司，2006年。 作者簡(jiǎn)介 Harry Holt曾是ADI公司（美國加利福尼亞州圣何塞）應用工程師，任職14年，最后任職部門(mén)是核心應用部。之前他曾在美國國家半導體公司工作了27年，從事各種產(chǎn)品的現場(chǎng)和工廠(chǎng)應用，包括數據轉換器、運算放大器、基準源、音頻編解碼器和FPGA。他擁有圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并且是國家工程榮譽(yù)協(xié)會(huì )(Tau Beta Pi)終身會(huì )員和IEEE高級終身會(huì )員。Harry于2017年8月退休。 Mike Skroch是一名應用工程師，負責為美國東部銷(xiāo)售部門(mén)在中部和大湖區的FAE團隊提供支持。他于2014年加入凌力爾特公司，然后于2017年成為ADI公司的一名成員。進(jìn)入半導體行業(yè)之前，他在電信行業(yè)工作了16年，擔任過(guò)各種角色，為制造、測試開(kāi)發(fā)、退貨和維修以及研發(fā)提供支持。聯(lián)系方式：mike.skroch@analog.com。 |
