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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，這可能會造成問題。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現另一個的功能，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，以便我們設計的時候能繞開麻煩。我們將看到，在某些情況下，您根本不想嘗試使用錯誤類型的器件進行設計。 查看圖1，哪個三角形表示運算放大器？哪個三角形表示比較器？哪個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，我們為什么要關注？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什么？ 表1.運算放大器、比較器和儀表放大器的比較
我們來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。學校老師教導我們，開始分析時，兩個輸入之差等于零。但在現實生活中，這是不可能的。如果開環增益為一百萬，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，當輸出要變得過高時，控制信號會反饋到輸入，抵消原始激勵——例如負反饋。當用作比較器時，如果沒有反饋，輸出將直接沖到一個軌或另一個軌。如果是正反饋，輸出將在同一方向上被驅動到更遠。因此，運算放大器需要負反饋。實際上，當某些運算放大器用作無反饋的比較器時，電源電流可能比數據手冊上的最大值高5至10倍1。 但是，對于比較器來說，正反饋才是我們需要的。在沒有反饋的情況下，如果比較器的一個輸入緩慢超過另一輸入的電平，輸出將開始緩慢變化。如果系統中存在噪聲，例如接地反彈，輸出可能會反轉，這在控制系統中當然是不希望發生的。但隨后它開始回頭，產生振蕩行為，有時稱之為震顫（參見 MT-0832中的圖5）。Reza Moghimi的文章“通過遲滯根除比較器的不穩定性”充分介紹了添加正反饋（也稱為遲滯）的好處3。
圖2.經典三運放儀表放大器 對于儀表放大器，反饋已在內部，添加反饋只會產生不精確的增益。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：每個運放都有反饋。我們從使用標準負反饋圖（見圖3）開始，儀表放大器為G，期望增益為10，這意味著反饋系數為0.1。接下來，選擇儀表放大器固定增益為100。使用式1，實際的閉環增益將為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有意義的。
圖3.經典反饋原理圖
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。 開環和閉環增益 對于運算放大器，參見式1，開環增益(AVOL)越高，閉環增益將越精確。大多數運算放大器的開環增益在100,000至1000萬之間，但某些較早的高速運算放大器可能低至3000。如前所述，開環增益越高，閉環增益誤差越小。 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，但如果增益過高，微伏級的噪聲就會觸發比較器。 對于儀表放大器，開環增益的概念并不適用。 輸入電容 電路中常常會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)。隨著頻率提高，反饋系數也會提高，因此噪聲增益以+20 dB/10倍頻程的速率上升，而運算放大器開環增益以–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，這肯定會產生振蕩。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 比較器通常沒有負反饋網絡，因此圖5中比較器前面的簡單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都要做的一件好事情。如果用適當的走線和焊盤對印刷電路板進行布局，以允許添加兩個電阻和三個電容，那么可以從0Ω電阻和無電容開始，測量系統性能。通過調整五個元件的值，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從接近一個軌擺動到另一個軌。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開集或開漏輸出。雖然開集或開漏輸出需要一個上拉電阻，導致上升和下降時間不等，但它有如下優點：比較器采用一個電壓（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高于最高信號頻率的增益帶寬，以使閉環誤差保持較低水平。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，會影響閉環精度。相位裕量也很重要，它會隨容性負載而變化，因此規格表應清楚說明測試條件。為了確保直流精度，失調電壓應較低。對于經過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鍵規格。運算放大器在過驅時會變慢，比較器與之不同，當過驅時會變快。規格表有時會提供少量過驅（例如5 mV）下的傳輸延遲，以及50 mV甚至100 mV的較大過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，有時還會列出直流CMRR或非常低頻率下的CMRR。通常會提供CMRR與頻率的關系圖。例如，當檢測H橋電機驅動器中的電流時，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軌附近變到接近另一個軌，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編寫代碼，它是指配置器件以滿足系統要求（盡管某些儀表放大器確實有通過SPI端口和寄存器進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使用以限制帶寬。這樣有助于提高信噪比，因為噪聲會在整個范圍內積分，哪怕我們僅使用其中一部分。也可以只使用電容，獲得一個積分器或微分器。 比較器應始終有一點正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動，輸出就會強化移動（參見圖4和圖5）。圖片和計算參見MT-083。一些比較器具有內部遲滯，但如果需要，通常可以增加更多遲滯。一些具有內部遲滯的比較器有一個引腳用來添加一個電阻，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。您必須是一個很好的模擬設計人員才能很好地做到這一點。MT-083介紹了一些注意事項，討論其利弊的相關文章有很多。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行編程。您可以添加一個高阻值電阻來提供一點正反饋，也可以使用一個電容來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，但這同樣可以通過增加少量正反饋來提高。 最后注意事項 嘗試將運算放大器用作比較器時，會有微妙的事情發生。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或兩個串聯二極管。這是為了防止輸入級與發射極基極結之一形成齊納效應，導致噪聲性能隨時間推移而降低。 在一個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，那么會出現一個輸入為3 V而另一個輸入為0 V的問題，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700款器件可供選擇。比較器的關鍵參數通常是傳輸延遲和電源電壓。選擇起來比較容易，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，才能實現未來若干年內無故障且可以大批量生產的產品和設計。 參考文獻 1 Harry Holt。“運算放大器的“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。“通過遲滯根除比較器的不穩定性”。《模擬對話》，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，從事各種產品的現場和工廠應用，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電氣工程學士學位(BSEE)，并且是國家工程榮譽協會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE高級終身會員。Harry于2017年8月退休。 Mike Skroch是一名應用工程師，負責為美國東部銷售部門在中部和大湖區的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。進入半導體行業之前，他在電信行業工作了16年，擔任過各種角色，為制造、測試開發、退貨和維修以及研發提供支持。聯系方式：mike.skroch@analog.com。 |
