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來(lái)源：Digi-Key 作者：Kevin Chow 引言 大家有沒(méi)有留意，在模擬電路圖上，無(wú)論是運算放大器、比較器、還是儀表放大器，工程師都會(huì )用同一個(gè)圖案來(lái)表達 (即下圖1)。 
圖1 ：同時(shí)表達運算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號 如果我們在芯片規格書(shū)內看到“三角形”器件，在選料時(shí)是否意味著(zhù)可以把它應用于任何地方？ 理論上是可以的。 您可以強制其中之一來(lái)實(shí)現其他功能，但系統性能不會(huì )達至最佳。 因此，原廠(chǎng)一般會(huì )在規格書(shū)內列出了其器件的建議應用。 通過(guò)本文，讓我們看看它們之間的區別以及選型應用時(shí)需要注意的地方，以便我們盡可能?chē)@它們進(jìn)行設計，同時(shí)也深入了解如何使用參數篩選來(lái)找到合適的運算放大器。 下面的表 1 中總結了三個(gè)器件的重要參數或規格之間的差異。
表1 ：運算放大器、比較器和儀表放大器的比較 (資料來(lái)源：ADI) 反饋的特性 先來(lái)看看“運算放大器”應用中可實(shí)現哪些功能。由于運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，即是需要“負反饋”。如果將運算放大器刻意設計成比較器，當其高速工作時(shí)，為防止輸出將直接沖到一個(gè)軌或另一個(gè)軌，這時(shí)候便需要“負反饋”。 但是，對于比較器的應用，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，輸出會(huì )開(kāi)始緩慢變化。但假如系統中存在噪聲，例如接地回反彈，輸出可能會(huì )受影響，因此比較器加入正反饋，可使比較器反應比較慢，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)在內部，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。以ADI公司AD621系列儀表放大器作例子，圖2顯示了該器件內已包含了工三個(gè)運算放大器。
圖2 ：AD621系列“三運放”儀表放大器 (圖片來(lái)源：ADI) 讓我們重溫一下在上篇 運算放大器的基礎知識 中介紹的反饋等式。
利用 (1)，假設儀表放大器為G，期望增益為10，如接上負反饋，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，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(fǎng)問(wèn)運算放大器、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元器件的類(lèi)型。
圖3. 運算放大器、比較器和儀表放大器在Digi-Key產(chǎn)品目錄的分類(lèi)顯示 開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益 如上所述，對于運算放大器，參考等式（1），開(kāi)環(huán)增益（AVOL）越高，閉環(huán)增益越準確，誤差越小。 比較器用于開(kāi)環(huán)系統，旨在從其輸出端驅動(dòng)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。除了要考慮系統的帶寬要求，也需要解決噪聲問(wèn)題。較高的增益可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。 · 元器件選型 Digi-Key 官網(wǎng)對于運算放大器的篩選表已經(jīng)清楚地列出了帶寬的參數，可見(jiàn)其覆蓋范圍非常寬，這使得當工程師選擇這3款產(chǎn)品時(shí)，可以對它們有大概的理解。例如-3db帶寬，如忽略?xún)x表放大器及比較器的選項，由于運算放大器包括很多類(lèi)型，可以看到-3db 帶寬包含很大頻率的范圍，最高更可達數十GHz.
圖4：Digi-Key官網(wǎng)中“-3db 帶寬”選項顯示 輸入電容 如上述，對于運算放大器，讓我們來(lái)看看以下圖5中加入輸入電容的方式。乍看之下，R1和C1似乎構成了一個(gè)低通濾波器，但其實(shí)這樣是行不通的，還可能會(huì )產(chǎn)生振蕩。未加上電容的方式，其反饋系數為R2/R1，但如果將電容加在兩者間，反饋系數將變?yōu)镽2/(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+ 20dB/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，它們會(huì )在40dB處交叉位相遇，即導致振蕩。
圖5 ：其中一個(gè)方法“嘗試”減少運算放大器帶寬 (圖片來(lái)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(guò)在R2兩端放置電容減少運算放大器帶寬(圖片來(lái)源:ADI) 相反，比較器通常沒(méi)有負反饋網(wǎng)絡(luò )，因此圖7中比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構成的低通濾波器是可行的。
圖7：比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構成的低通濾波器 (圖片來(lái)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地在電路板上布局布線(xiàn)，如以下圖中ADI的AD8220為例，是一個(gè)較廣泛使用的差分射頻干擾 (RFI) 濾波器應用電路圖，它還加入了電容器使系統穩定并提高性能。
圖8 ：AD8220的”RFI濾波器“應用電路圖 (圖片來(lái)源：ADI) 除了 RFI 抑制之外，該濾波器還提供額外的輸入過(guò)載保護，因為電阻器 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(gè)橋式電路，其輸出出現在儀表放大器的輸入引腳上。 因此，C3/R5 和 C5/R6 的時(shí)間常數之間的任何不匹配都會(huì )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 在應用中，運算放大器或儀表放大器的輸出將從靠近一個(gè)軌到另一軌擺動(dòng)。 根據輸出級是使用共發(fā)射極還是共源配置，輸出可能會(huì )達到任何電源軌內的 25mV 至 200mV 范圍。 但是，如果運算放大器由+15V和-15V供電，則這種類(lèi)型的軌到軌不便于與數字電路接口。 一種較差和較復雜的方法，是在輸出端放置一個(gè)二極管鉗位，以保護數字輸入不受損壞，但運放也會(huì )因電流過(guò)大而損壞， 所以使用比較器是最簡(jiǎn)易的解決方案。 比較器可以有不同輸出類(lèi)型，例如CMOS、TLL、NMOS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，但它可取之處是雖然采用一個(gè)電壓（如5V）供電，但仍能在其他電壓（如3.3 V）下與邏輯接口運作。 · 元器件選型 運算放大器、比較器或儀表放大器的輸出（包括輸出類(lèi)型和電流輸出量）對電路設計非常重要。 Digi-Key 官網(wǎng)上的產(chǎn)品篩選項目也有詳細列示。
圖9 ：Digi-Key官網(wǎng)上運算放大器及儀表放大器「輸出」選項顯示
圖10 ：Digi-Key官網(wǎng)上比較器「輸出」選項顯示 重要參數 · 增益帶寬 對于運算放大器，我們需要一個(gè)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，會(huì )影響閉環(huán)精度。 · 相位裕度 相位裕度會(huì )隨容性負載而變化，因此規格書(shū)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。對于修整的雙極型運算放大器，25μV至100μV是較好的。對于FET輸入運算放大器，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之一。與運算放大器相比，運算放大器在過(guò)驅動(dòng)時(shí)變慢，但比較器在過(guò)驅動(dòng)時(shí)會(huì )變快。規格書(shū)有時(shí)會(huì )提供在少量過(guò)驅動(dòng)下（例如5 mV）的傳輸延遲，又或會(huì )提供較大的50mV甚至100 mV過(guò)驅動(dòng)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是共模抑制比（CMRR）。CMRR 就是差分增益與共模增益之比，根據以下公式， 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(shí)規格書(shū)還會(huì )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(lái)源：ADI) 如果您要檢測H橋電機驅動(dòng)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所示使用的驅動(dòng)應用圖。
圖12： 使用AD8207進(jìn)行雙向共模高擺幅電流檢測 (圖片來(lái)源:ADI) 這可能是儀表放大器最困難的應用，因為共模電壓是從一個(gè)軌附近變到另一個(gè)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(xiě)代碼，而是指需要配置器件以滿(mǎn)足系統要求（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)行傳統軟件編程的功能）。對于運算放大器，我們將器件配置為負反饋。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(lái)限制帶寬。這將有助于提高信噪比，因為即使我們僅使用一部分噪聲，也會(huì )在整個(gè)范圍內對其進(jìn)行積分，也可以使用不同電容器而獲得積分器或微分器。 比較器應該會(huì )設計為正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動(dòng)，輸出就會(huì )加強移動(dòng)。一些比較器的確具有內部遲滯，但是如果需要，通�？梢蕴砑痈嗟倪t滯。一些具有內部遲滯的比較器具有一個(gè)引腳，用于添加一個(gè)電阻以稍微改變其遲滯量。 工程師可以將運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(gè)高阻值電阻以提供一點(diǎn)正反饋， 總結 以往工程師在選擇運算放大器時(shí)，會(huì )聚焦于個(gè)別的特性，例如直流及交流精度、輸入失調電壓、增益帶寬等規格是否適合系統，但現今的運算放大器產(chǎn)品眾多，在這情況下，不少生產(chǎn)商已經(jīng)根據不同的應用將運算放大器產(chǎn)品分類(lèi)，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(shí)縮小目標范圍，加之Digi-Key 官網(wǎng)上提供清晰的分類(lèi)及參數篩選工具，這使得工程師可以更省時(shí)、更準確地找到合適的運算放大器。 |
