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？
图1.运算放大器、仪表放大器和比较器。
答案：它们都是！
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。
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
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
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-083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
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 OP27、 AD8610 或ADA4522。
图7.具有高共模摆幅的双向电流检测
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。
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。
文章转自网络分享，如有侵权请联系本人及时删除。
,
