一个简单的三角形符号到底意味着什么？

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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。

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！

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？

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。

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。

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。

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。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。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。

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。