运放、比较器和仪表放大器：区別与选择

运算放大器产品众多，不少生产厂商已经根据不同的应用将运算放大器产品分类。大家是否会留意类比电路图，在电路图上无论是运算放大器、比较器、还是仪表放大器，工程师都会用同一个图案来表达（图一）。

图一 : 同时表达运算放大器、仪表放大器或比较器的电路图符号

如果在晶片规格书内看到「三角形」元件，在选料时是否意味着可以把它应用于任何地方？理论上是可以的。您可以强制其中之一来实现其他功能，但系统性能并不会达至最佳化。因此，原厂一般会在规格书内列出了其元件的建议应用。从本文可看出它们之间的区別以及选型应用时需要注意的地方，以便盡可能围绕它们进行设计，同时也深入瞭解如何使用参数筛选来找到合适的运算放大器。

表一当中总结三个元件的重要参数或规格之间的差异。

回馈的特性

先来看看「运算放大器」应用中可实现哪些功能。由于运算放大器具有巨大的增益，从理论上讲，为使电路可用，我们需要施加回馈。当输出要变得过高时，控制讯号会回馈到输入，抵消原始激励，即是需要「负反馈」。如果将运算放大器刻意设计成比较器，当其高速工作时，为防止输出将直接冲到一个轨或另一个轨，这时候便需要「负反馈」。

但是，对于比较器的应用，正回馈才是我们需要的。在沒有回馈的情况下，如果比较器的一个输入缓慢超过另一输入的电平，输出便会开始缓慢变化。但假如系统中存在杂讯，例如接地回反弹，输出可能会受影响，因此比较器加入正回馈，可使比较器反应比较慢，这会造成迟滞，使其对微小变化也不敏感，这有助于抗干扰能力。

相反地，仪表放大器本身回馈已经在内部，因此将仪表放大器用作运算放大器并为其添加回馈，是沒有意义的。以ADI公司AD621系列仪表放大器为例，图二显示该元件内已包含了共三个运算放大器。

图二 : AD621系列三运放仪表放大器（source：ADI）

假设在方程式中，仪表放大器为G，期望增益为10，如接上负反馈，这意味着回馈系数为0.1。接下来，选择仪表放大器固定增益为100，得出实际的闭环增益将为9.09，几乎有10%的误差。

零组件选型

为方便工程师能够快速找出并阅读运算放大器、比较器或仪表放大器产品系列的技术资料，Digi-Key官网已在产品目录中列明瞭相应零组件的类型。

开环和闭环增益

如上所述，对于运算放大器，开环增益（A_VOL）越高，闭环增益越准确，误差越小。

比较器用于开环系统，旨在从其输出端驱动逻辑电路。如果输出的逻辑摆幅为3V，需要1mV阈值，则最小增益可能约为3000。除了要考虑系统的频宽要求，也需要解决杂讯问题。较高的增益可使不确定性窗口变小，但如果增益过高，微伏级的杂讯就会触发比较器。

对于仪表放大器，开环增益的概念并不适用。

零组件选型

Digi-Key官网对于运算放大器的筛选表已经清楚地列出了频宽的参数，可见其覆盖范围非常宽，这使得当工程师选择这3款产品时，可以对它们有大概的理解。例如-3db频宽，如忽略仪表放大器及比较器的选项，由于运算放大器包括很多类型，可以看到-3db频宽包含很大频率的范围，最高更可达数十GHz。

输入电容

如上述，对于运算放大器，看看图三中加入输入电容的方式。乍看之下，R1和C1似乎构成了一个低通滤波器，但其实这样是行不通的，还可能会产生振盪。未加上电容的方式，其回馈系数为R2/R1，但如果将电容加在两者间，回馈系数将变为R2/(R1//Xc)，随着频率提高，回馈系数也会提高，因此杂讯增益以+20dB/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，它们会在40dB处交叉位相遇，即导致振盪。

图三 : 其中一个方法「尝试」减少运算放大器频宽（source：ADI）

比较可行的限制电路频宽的方法，是在R2两端放置电容（C2），如图四。

图四 : 透过在R2两端放置电容减少运算放大器频宽（source：ADI）

相反地，比较器通常沒有负反馈网路，因此图五中比较器前面的简单R和C构成的低通滤波器是可行的。

图五 : 比较器前面的简单R和C构成的低通滤波器（source：ADI）

对于仪表放大器，在输入端放置电容器是完全可以接受的。如果在电路上允许增加元件和适当地在电路板上佈局佈缐，如图六中ADI的AD8220为例，是一个较广泛使用的差分射频干扰（RFI）滤波器应用电路图，它还加入了电容器使系统稳定并提高性能。

图六 : AD8220的「RFI滤波器」应用电路图（source：ADI）

除了RFI抑制之外，该滤波器还提供额外的输入超载保护，因为电阻器R5和R6有助于将仪表放大器的输入电路与外部讯号源隔离。但唯一需要考虑的是滤波器形成一个桥式电路，其输出出现在仪表放大器的输入接脚上。因此，C3/R5和C5/R6的时间常数之间的任何不匹配，都会使电桥不平衡并降低高频共模抑制。因此，电阻器R5和R6以及电容器C3和C5需要相等。

输出

在应用中，运算放大器或仪表放大器的输出将从靠近一个轨到另一轨摆动。根据输出级是使用共发射极还是共源配置，输出可能会达到任何电源轨内的25mV至200mV范围。但是，如果运算放大器由+15V和-15V供电，则这种类型的轨到轨不便用于数位电路介面。一种较差和较复杂的方法，是在输出端放置一个二极体钳位，以保护数位输入不受损坏，但运放也会因电流过大而损坏，所以使用比较器是最简易的解决方案。

比较器可以有不同输出类型，例如CMOS、TLL、NMOS或开漏输出。虽然开极或开漏输出需要一个上拉电阻，导致上升和下降时间不等，但它可取之处是虽然採用一个电压（如5V）供电，但仍能在其他电压（如3.3 V）下与逻辑介面运作。

零组件选型

运算放大器、比较器或仪表放大器的输出（包括输出类型和电流输出量）对电路设计非常重要。Digi-Key官网上的产品筛选专案也有详细列示。

重要参数

增益频宽

对于运算放大器，需要一个高于最高讯号频率的增益频宽，以保持较低闭环误差。，我们可以从方程式中看到增益频宽应为最高讯号频率的10至100倍。从如前所述，AVOL是频率的函数，会影响闭环精度。

相位裕度

相位裕度会随容性负载而变化，因此规格书应清楚说明测试条件。为了确保直流精度，失调电压应较低。对于修整的双极型运算放大器，25μV至100μV是较好的。对于FET输入运算放大器，200μV至500μV是较好的。

输延迟

对于比较器，传输延迟是重要参数之一。与运算放大器相比，运算放大器在过驱动时变慢，但比较器在过驱动时会变快。规格书有时会提供在少量过驱动下（例如5 mV）的传输延迟，又或会提供较大的50mV甚至100 mV过驱动下不同的传输延迟数据。

共模拒斥比（CMRR）

仪表放大器的重要参数是共模拒斥比（CMRR）。CMRR就是差分增益与共模增益之比，根据以下公式，其单位可以是V/V或dB。

共模拒斥比随频率而变化，如图七AD8422共模拒斥比与频率的关系。此外，有时规格书还会列出直流CMRR或非常低频率的CMRR。

图七 : AD8422共模拒斥比与频率的关系（source：ADI）

如果要检测H桥马达驱动器中的电流，或使用仪表放大器（如AD8207）进行双向共模高摆幅电流检测，如图八所示使用的驱动应用图。

图八 : 使用AD8207进行双向共模高摆幅电流检测（source：ADI）

迅速反向，其中的增益频宽和压摆率都很重要。

程式设定

此处的「程式设定」并不是代表编写程式码，而是指需要配置元件以满足系统要求（尽管某些仪表放大器确实已具有带SPI埠和暂存器进行传统软体程式设计的功能）。对于运算放大器，我们将元件配置为负反馈。这可以使用纯电阻性元件，但通常是将电阻器与电容器并联使用来限制频宽。这将有助于提高讯噪比，因为即使仅使用一部分杂讯，也会在整个范围内对其进行积分，也可以使用不同电容器而获得积分器或微分器。

比较器应该会设计为正回馈，以确保一旦输入迫使输出移动，输出就会加强移动。一些比较器的确具有内部迟滞，但是如果需要，通常可以添加更多的迟滞，一些具有内部迟滞的比较器具有一个接脚，用于添加一个电阻以稍微改变其迟滞量。

工程师可以将运算放大器用作比较器，但这并不理想，如前所述，这样做需要注意的事项很多。直接使用比较器的好处是几乎只需要电阻做设定，而添加一个高阻值电阻可以提供一点正回馈。

总结

以往工程师在选择运算放大器时，会聚焦于个別的特性，例如直流及交流精度、输入失调电压、增益频宽等规格是否适合系统，但现今的运算放大器产品众多，在此情况下，不少生产厂商已经根据不同的应用将运算放大器产品分类，例如比较器及仪表放大器，有助于在选料时缩小目标范围，而Digi-Key提供清晰的分类及参数筛选工具，这使得工程师可以更省时、更准确地找到合适的运算放大器。

（本文由Digi-Key Electronics公司提供）