一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么？

符號(hào)是有助于還是妨礙我們思考設(shè)計(jì)？符號(hào)很重要，但如果一個(gè)符號(hào)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(yùn)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(xiàn)另一個(gè)的功能，但系統(tǒng)性能將不是最佳的。

圖1，哪個(gè)三角形表示運(yùn)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？

圖1.運(yùn)算放大器、儀表放大器和比較器。

答案：

它們都是！

那么，它們有何區(qū)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(duì)電路和系統(tǒng)意味著什么？

我們來(lái)看看大家是如何陷入困境的……

反饋

運(yùn)算放大器具有巨大的增益。學(xué)校老師教導(dǎo)我們，開(kāi)始分析時(shí)，兩個(gè)輸入之差等于零。但在現(xiàn)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(dāng)輸出要變得過(guò)高時(shí)，控制信號(hào)會(huì)反饋到輸入，抵消原始激勵(lì)——例如負(fù)反饋。

當(dāng)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(qū)動(dòng)到更遠(yuǎn)。因此，運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋。實(shí)際上，當(dāng)某些運(yùn)算放大器用作無(wú)反饋的比較器時(shí)，電源電流可能比數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大值高5至10倍

但是，對(duì)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(tǒng)中存在噪聲，例如接地反彈，輸出可能會(huì)反轉(zhuǎn)，這在控制系統(tǒng)中當(dāng)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。

圖2.經(jīng)典三運(yùn)放儀表放大器

對(duì)于儀表放大器，反饋已在內(nèi)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(yùn)算放大器構(gòu)建儀表放大器的典型方法。

注意：每個(gè)運(yùn)放都有反饋。我們從使用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋圖（見(jiàn)圖3）開(kāi)始，儀表放大器為G，期望增益為10，這意味著反饋系數(shù)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(yùn)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(yùn)算放大器需要負(fù)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(duì)于運(yùn)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(shù)運(yùn)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(yùn)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(duì)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(jí)的噪聲就會(huì)觸發(fā)比較器。

對(duì)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(gòu)成了一個(gè)低通濾波器。這行不通，可能導(dǎo)致振蕩。反相放大器的反饋系數(shù)為R2/R1，但在圖4中，反饋系數(shù)為R2/(R1 // Xc)。隨著頻率提高，反饋系數(shù)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(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降。它們?cè)?0 dB處交叉，根據(jù)控制系統(tǒng)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(yùn)算放大器帶寬

比較器通常沒(méi)有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，因此圖5中比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構(gòu)成的低通濾波器效果很好。RHYS 應(yīng)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(nèi)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(duì)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。

圖6.RFI濾波器前置于儀表放大器

輸出

運(yùn)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(jù)輸出級(jí)是使用共射極還是共源極配置，輸出可能達(dá)到任一供電軌的25 mV至200 mV范圍內(nèi)。這被視為軌到軌輸出。如果運(yùn)算放大器由+15 V和–15 V供電，則不便于與數(shù)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(hù)數(shù)字輸入免受損壞。但取而代之的是，運(yùn)算放大器因電流過(guò)高而損壞。運(yùn)算放大器與數(shù)字邏輯接口有更復(fù)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(dǎo)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。

總結(jié)

對(duì)于許多應(yīng)用，運(yùn)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(diào)電壓、增益帶寬還是電源電壓。比較器的關(guān)鍵參數(shù)通常是傳輸延遲和電源電壓，選擇起來(lái)比較容易。儀表放大器的主要標(biāo)準(zhǔn)是CMRR與頻率的關(guān)系，但在DC附近，失調(diào)電壓和增益精度也很重要。

只有選擇正確的器件，才能實(shí)現(xiàn)未來(lái)若干年內(nèi)無(wú)故障且可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)。