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運放、比較器和儀表放大器:區別與選擇
 

【作者: Kevin Chow】   2022年04月19日 星期二

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運算放大器產品眾多,不少生產廠商已經根據不同的應用將運算放大器產品分類。大家是否會留意類比電路圖,在電路圖上無論是運算放大器、比較器、還是儀表放大器,工程師都會用同一個圖案來表達(圖一)。


圖一 : 同時表達運算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號
圖一 : 同時表達運算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號

如果在晶片規格書內看到「三角形」元件,在選料時是否意味著可以把它應用於任何地方?理論上是可以的。您可以強制其中之一來實現其他功能,但系統性能並不會達至最佳化。因此,原廠一般會在規格書內列出了其元件的建議應用。從本文可看出它們之間的區別以及選型應用時需要注意的地方,以便盡可能圍繞它們進行設計,同時也深入瞭解如何使用參數篩選來找到合適的運算放大器。


表一當中總結三個元件的重要參數或規格之間的差異。


表一:運算放大器、比較器和儀表放大器的比較(source:ADI)

 

運算放大器

比較器

儀表放大器

回饋

無/正

內部

開環增益

5k至1000萬

3k至50k

固定在0.2至10k

閉環增益

通常<10,000

-

固定在0.2至10k

輸入電容

可能有

良好

輸出

類比/線性

數位

類比/線性

重要參數

VOS,GBW/PM

傳輸延遲

CMRR

程式設定

R或C

R、SPI、跳線


回饋的特性

先來看看「運算放大器」應用中可實現哪些功能。由於運算放大器具有巨大的增益,從理論上講,為使電路可用,我們需要施加回饋。當輸出要變得過高時,控制訊號會回饋到輸入,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,為防止輸出將直接衝到一個軌或另一個軌,這時候便需要「負反饋」。


但是,對於比較器的應用,正回饋才是我們需要的。在沒有回饋的情況下,如果比較器的一個輸入緩慢超過另一輸入的電平,輸出便會開始緩慢變化。但假如系統中存在雜訊,例如接地回反彈,輸出可能會受影響,因此比較器加入正回饋,可使比較器反應比較慢,這會造成遲滯,使其對微小變化也不敏感,這有助於抗干擾能力。


相反地,儀表放大器本身回饋已經在內部,因此將儀表放大器用作運算放大器並為其添加回饋,是沒有意義的。以ADI公司AD621系列儀表放大器為例,圖二顯示該元件內已包含了共三個運算放大器。



圖二 : AD621系列三運放儀表放大器(source:ADI)
圖二 : AD621系列三運放儀表放大器(source:ADI)

假設在方程式中,儀表放大器為G,期望增益為10,如接上負反饋,這意味著回饋係數為0.1。接下來,選擇儀表放大器固定增益為100,得出實際的閉環增益將為9.09,幾乎有10%的誤差。


零組件選型


為方便工程師能夠快速找出並閱讀運算放大器、比較器或儀表放大器產品系列的技術資料,Digi-Key官網已在產品目錄中列明瞭相應零組件的類型。


開環和閉環增益

如上所述,對於運算放大器,開環增益(AVOL)越高,閉環增益越準確,誤差越小。


比較器用於開環系統,旨在從其輸出端驅動邏輯電路。如果輸出的邏輯擺幅為3V,需要1mV閾值,則最小增益可能約為3000。除了要考慮系統的頻寬要求,也需要解決雜訊問題。較高的增益可使不確定性窗口變小,但如果增益過高,微伏級的雜訊就會觸發比較器。


對於儀表放大器,開環增益的概念並不適用。


零組件選型


Digi-Key官網對於運算放大器的篩選表已經清楚地列出了頻寬的參數,可見其覆蓋範圍非常寬,這使得當工程師選擇這3款產品時,可以對它們有大概的理解。例如-3db頻寬,如忽略儀表放大器及比較器的選項,由於運算放大器包括很多類型,可以看到-3db頻寬包含很大頻率的範圍,最高更可達數十GHz。


輸入電容

如上述,對於運算放大器,看看圖三中加入輸入電容的方式。乍看之下,R1和C1似乎構成了一個低通濾波器,但其實這樣是行不通的,還可能會產生振盪。未加上電容的方式,其回饋係數為R2/R1,但如果將電容加在兩者間,回饋係數將變為R2/(R1//Xc),隨著頻率提高,回饋係數也會提高,因此雜訊增益以+20dB/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,它們會在40dB處交叉位相遇,即導致振盪。



圖三 : 其中一個方法「嘗試」減少運算放大器頻寬(source:ADI)
圖三 : 其中一個方法「嘗試」減少運算放大器頻寬(source:ADI)

比較可行的限制電路頻寬的方法,是在R2兩端放置電容(C2),如圖四。



圖四 : 透過在R2兩端放置電容減少運算放大器頻寬(source:ADI)
圖四 : 透過在R2兩端放置電容減少運算放大器頻寬(source:ADI)

相反地,比較器通常沒有負反饋網路,因此圖五中比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器是可行的。



圖五 : 比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器(source:ADI)
圖五 : 比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器(source:ADI)

對於儀表放大器,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佈局佈線,如圖六中ADI的AD8220為例,是一個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並提高性能。



圖六 : AD8220的「RFI濾波器」應用電路圖(source:ADI)
圖六 : AD8220的「RFI濾波器」應用電路圖(source:ADI)

除了RFI抑制之外,該濾波器還提供額外的輸入超載保護,因為電阻器R5和R6有助於將儀表放大器的輸入電路與外部訊號源隔離。但唯一需要考慮的是濾波器形成一個橋式電路,其輸出出現在儀表放大器的輸入接腳上。因此,C3/R5和C5/R6的時間常數之間的任何不匹配,都會使電橋不平衡並降低高頻共模抑制。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軌到另一軌擺動。根據輸出級是使用共發射極還是共源配置,輸出可能會達到任何電源軌內的25mV至200mV範圍。但是,如果運算放大器由+15V和-15V供電,則這種類型的軌到軌不便用於數位電路介面。一種較差和較複雜的方法,是在輸出端放置一個二極體鉗位,以保護數位輸入不受損壞,但運放也會因電流過大而損壞,所以使用比較器是最簡易的解決方案。


比較器可以有不同輸出類型,例如CMOS、TLL、NMOS或開漏輸出。雖然開極或開漏輸出需要一個上拉電阻,導致上升和下降時間不等,但它可取之處是雖然採用一個電壓(如5V)供電,但仍能在其他電壓(如3.3 V)下與邏輯介面運作。


零組件選型


運算放大器、比較器或儀表放大器的輸出(包括輸出類型和電流輸出量)對電路設計非常重要。Digi-Key官網上的產品篩選專案也有詳細列示。


重要參數

增益頻寬


對於運算放大器,需要一個高於最高訊號頻率的增益頻寬,以保持較低閉環誤差。,我們可以從方程式中看到增益頻寬應為最高訊號頻率的10至100倍。從如前所述,AVOL是頻率的函數,會影響閉環精度。


相位裕度


相位裕度會隨容性負載而變化,因此規格書應清楚說明測試條件。為了確保直流精度,失調電壓應較低。對於修整的雙極型運算放大器,25μV至100μV是較好的。對於FET輸入運算放大器,200μV至500μV是較好的。


輸延遲


對於比較器,傳輸延遲是重要參數之一。與運算放大器相比,運算放大器在過驅動時變慢,但比較器在過驅動時會變快。規格書有時會提供在少量過驅動下(例如5 mV)的傳輸延遲,又或會提供較大的50mV甚至100 mV過驅動下不同的傳輸延遲數據。


共模拒斥比(CMRR)


儀表放大器的重要參數是共模拒斥比(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。


共模拒斥比隨頻率而變化,如圖七AD8422共模拒斥比與頻率的關係。此外,有時規格書還會列出直流CMRR或非常低頻率的CMRR。



圖七 : AD8422共模拒斥比與頻率的關係(source:ADI)
圖七 : AD8422共模拒斥比與頻率的關係(source:ADI)

如果要檢測H橋馬達驅動器中的電流,或使用儀表放大器(如AD8207)進行雙向共模高擺幅電流檢測,如圖八所示使用的驅動應用圖。



圖八 : 使用AD8207進行雙向共模高擺幅電流檢測(source:ADI)
圖八 : 使用AD8207進行雙向共模高擺幅電流檢測(source:ADI)

迅速反向,其中的增益頻寬和壓擺率都很重要。


程式設定

此處的「程式設定」並不是代表編寫程式碼,而是指需要配置元件以滿足系統要求(儘管某些儀表放大器確實已具有帶SPI埠和暫存器進行傳統軟體程式設計的功能)。對於運算放大器,我們將元件配置為負反饋。這可以使用純電阻性元件,但通常是將電阻器與電容器並聯使用來限制頻寬。這將有助於提高訊噪比,因為即使僅使用一部分雜訊,也會在整個範圍內對其進行積分,也可以使用不同電容器而獲得積分器或微分器。


比較器應該會設計為正回饋,以確保一旦輸入迫使輸出移動,輸出就會加強移動。一些比較器的確具有內部遲滯,但是如果需要,通常可以添加更多的遲滯,一些具有內部遲滯的比較器具有一個接腳,用於添加一個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,但這並不理想,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做設定,而添加一個高阻值電阻可以提供一點正回饋。


總結

以往工程師在選擇運算放大器時,會聚焦於個別的特性,例如直流及交流精度、輸入失調電壓、增益頻寬等規格是否適合系統,但現今的運算放大器產品眾多,在此情況下,不少生產廠商已經根據不同的應用將運算放大器產品分類,例如比較器及儀表放大器,有助於在選料時縮小目標範圍,而Digi-Key提供清晰的分類及參數篩選工具,這使得工程師可以更省時、更準確地找到合適的運算放大器。


(本文由Digi-Key Electronics公司提供)


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