一个简单的三角形符号到底意味着什么——运放，仪表运放Or比较器

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。

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

图2.经典三运放仪表放大器

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3V，并且您需要1mV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

图4.尝试减少运算放大器带宽

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25mV至200mV范围内。这被视为轨到轨输出。如果运算放大器由+15V和–15V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5V）供电，并在其他电压（如3.3V）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，25μV至100μV比较好；对于FET输入运算放大器，200μV至500μV比较好。自稳零/斩波/零漂移运算放大器几乎总是低于20μV（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5mV）下的传输延迟，以及50mV甚至100mV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。

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3.3V系统中，如果将5V运算放大器用作比较器，电源良好指示器的阈值电平为3V，那么会出现一个输入为3V而另一个输入为0V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。

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