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一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?

發(fā)布時(shí)間:2021-02-23 來(lái)源:Harry Holt 和 Michael Skroch 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】正如我們將看到的那樣,這可能會(huì)造成問(wèn)題。在模擬世界中,三角形可以表示運(yùn)算放大器、比較器或儀表放大器。您可以使用其中之一實(shí)現(xiàn)另一個(gè)的功能,但系統(tǒng)性能將不是最佳的。本文將討論其區(qū)別以及需要注意的地方,以便我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候能繞開(kāi)麻煩。我們將看到,在某些情況下,您根本不想嘗試使用錯(cuò)誤類(lèi)型的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 
符號(hào)是有助于還是妨礙我們思考設(shè)計(jì)?
 
符號(hào)很重要,但如果一個(gè)符號(hào)可以表示多種東西呢?
 
正如我們將看到的那樣,這可能會(huì)造成問(wèn)題。在模擬世界中,三角形可以表示運(yùn)算放大器、比較器或儀表放大器。您可以使用其中之一實(shí)現(xiàn)另一個(gè)的功能,但系統(tǒng)性能將不是最佳的。本文將討論其區(qū)別以及需要注意的地方,以便我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候能繞開(kāi)麻煩。我們將看到,在某些情況下,您根本不想嘗試使用錯(cuò)誤類(lèi)型的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 
查看圖1,哪個(gè)三角形表示運(yùn)算放大器?哪個(gè)三角形表示比較器?哪個(gè)三角形表示儀表放大器?答案:
 
它們都是!
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖1.運(yùn)算放大器、儀表放大器和比較器。
 
那么,它們有何區(qū)別,我們?yōu)槭裁匆P(guān)注?從表1可知,某些特性有很大差別,但它們對(duì)電路和系統(tǒng)意味著什么?
 
表1.運(yùn)算放大器、比較器和儀表放大器的比較
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
 
我們來(lái)看看大家是如何陷入困境的……
 
反饋
 
運(yùn)算放大器具有巨大的增益。學(xué)校老師教導(dǎo)我們,開(kāi)始分析時(shí),兩個(gè)輸入之差等于零。但在現(xiàn)實(shí)生活中,這是不可能的。如果開(kāi)環(huán)增益為一百萬(wàn),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(dāng)輸出要變得過(guò)高時(shí),控制信號(hào)會(huì)反饋到輸入,抵消原始激勵(lì)——例如負(fù)反饋。當(dāng)用作比較器時(shí),如果沒(méi)有反饋,輸出將直接沖到一個(gè)軌或另一個(gè)軌。如果是正反饋,輸出將在同一方向上被驅(qū)動(dòng)到更遠(yuǎn)。因此,運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋。實(shí)際上,當(dāng)某些運(yùn)算放大器用作無(wú)反饋的比較器時(shí),電源電流可能比數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大值高5至10倍1
 
但是,對(duì)于比較器來(lái)說(shuō),正反饋才是我們需要的。在沒(méi)有反饋的情況下,如果比較器的一個(gè)輸入緩慢超過(guò)另一輸入的電平,輸出將開(kāi)始緩慢變化。如果系統(tǒng)中存在噪聲,例如接地反彈,輸出可能會(huì)反轉(zhuǎn),這在控制系統(tǒng)中當(dāng)然是不希望發(fā)生的。但隨后它開(kāi)始回頭,產(chǎn)生振蕩行為,有時(shí)稱(chēng)之為震顫(參見(jiàn) MT-0832中的圖5)。Reza Moghimi的文章"通過(guò)遲滯根除比較器的不穩(wěn)定性"充分介紹了添加正反饋(也稱(chēng)為遲滯)的好處3
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖2.經(jīng)典三運(yùn)放儀表放大器
 
對(duì)于儀表放大器,反饋已在內(nèi)部,添加反饋只會(huì)產(chǎn)生不精確的增益。圖2顯示了一種利用運(yùn)算放大器構(gòu)建儀表放大器的典型方法。
 
注意:每個(gè)運(yùn)放都有反饋。我們從使用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋圖(見(jiàn)圖3)開(kāi)始,儀表放大器為G,期望增益為10,這意味著反饋系數(shù)為0.1。接下來(lái),選擇儀表放大器固定增益為100。使用式1,實(shí)際的閉環(huán)增益將為9.09,幾乎有10%的誤差。因此,將儀表放大器用作運(yùn)算放大器并為其添加反饋是沒(méi)有意義的。
 
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圖3.經(jīng)典反饋原理圖
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
 
運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋;比較器需要正反饋;儀表放大器不需要任何反饋。
 
開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益
 
對(duì)于運(yùn)算放大器,參見(jiàn)式1,開(kāi)環(huán)增益(AVOL)越高,閉環(huán)增益將越精確。大多數(shù)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益在100,000至1000萬(wàn)之間,但某些較早的高速運(yùn)算放大器可能低至3000。如前所述,開(kāi)環(huán)增益越高,閉環(huán)增益誤差越小。
 
對(duì)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(guò)高,微伏級(jí)的噪聲就會(huì)觸發(fā)比較器。
 
對(duì)于儀表放大器,開(kāi)環(huán)增益的概念并不適用。
 
輸入電容
 
電路中常常會(huì)添加電容以限制帶寬。檢查圖4,乍看之下R1和C1似乎構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器。這行不通,可能導(dǎo)致振蕩。反相放大器的反饋系數(shù)為R2/R1,但在圖4中,反饋系數(shù)為R2/(R1 // Xc)。隨著頻率提高,反饋系數(shù)也會(huì)提高,因此噪聲增益以+20 dB/10倍頻程的速率上升,而運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降。它們?cè)?0 dB處交叉,根據(jù)控制系統(tǒng)理論,這肯定會(huì)產(chǎn)生振蕩。限制電路帶寬的正確方法是在R2兩端放置電容。
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖4.嘗試減少運(yùn)算放大器帶寬
 
比較器通常沒(méi)有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),因此圖5中比較器前面的簡(jiǎn)單R和C構(gòu)成的低通濾波器效果很好。RHYS 應(yīng)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(nèi)置遲滯,例如 LTC6752 或 ADCMP391,則不使用R7和 RHYS。
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖5.具有LPF和遲滯的比較器
 
對(duì)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(shí)都要做的一件好事情。如果用適當(dāng)?shù)淖呔€(xiàn)和焊盤(pán)對(duì)印刷電路板進(jìn)行布局,以允許添加兩個(gè)電阻和三個(gè)電容,那么可以從0Ω電阻和無(wú)電容開(kāi)始,測(cè)量系統(tǒng)性能。通過(guò)調(diào)整五個(gè)元件的值,可以單獨(dú)設(shè)置共模滾降和正常模式滾降(詳情參見(jiàn)指南)。
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖6.RFI濾波器前置于儀表放大器
 
輸出
 
運(yùn)算放大器或儀表放大器的輸出會(huì)從接近一個(gè)軌擺動(dòng)到另一個(gè)軌。根據(jù)輸出級(jí)是使用共射極還是共源極配置,輸出可能達(dá)到任一供電軌的25 mV至200 mV范圍內(nèi)。這被視為軌到軌輸出。如果運(yùn)算放大器由+15 V和–15 V供電,則不便于與數(shù)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(hù)數(shù)字輸入免受損壞。但取而代之的是,運(yùn)算放大器因電流過(guò)高而損壞。運(yùn)算放大器與數(shù)字邏輯接口有更復(fù)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(kāi)集或開(kāi)漏輸出。雖然開(kāi)集或開(kāi)漏輸出需要一個(gè)上拉電阻,導(dǎo)致上升和下降時(shí)間不等,但它有如下優(yōu)點(diǎn):比較器采用一個(gè)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(guī)格
 
運(yùn)算放大器需要一個(gè)高于最高信號(hào)頻率的增益帶寬,以使閉環(huán)誤差保持較低水平。查看式1,我們知道增益帶寬應(yīng)為最高信號(hào)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(shù),會(huì)影響閉環(huán)精度。相位裕量也很重要,它會(huì)隨容性負(fù)載而變化,因此規(guī)格表應(yīng)清楚說(shuō)明測(cè)試條件。為了確保直流精度,失調(diào)電壓應(yīng)較低。對(duì)于經(jīng)過(guò)調(diào)整的雙極性運(yùn)算放大器,25 μV至100 μV比較好;對(duì)于FET輸入運(yùn)算放大器,200 μV至500 μV比較好。自穩(wěn)零/斬波/零漂移運(yùn)算放大器幾乎總是低于20 μV(最大值),這是就整個(gè)溫度范圍而言的。請(qǐng)查閱一些典型運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè),如 OP27、 AD8610 或ADA4522。
 
一個(gè)簡(jiǎn)單的三角形符號(hào)到底意味著什么?
圖7.具有高共模擺幅的雙向電流檢測(cè)
 
傳輸延遲是比較器的關(guān)鍵規(guī)格。運(yùn)算放大器在過(guò)驅(qū)時(shí)會(huì)變慢,比較器與之不同,當(dāng)過(guò)驅(qū)時(shí)會(huì)變快。規(guī)格表有時(shí)會(huì)提供少量過(guò)驅(qū)(例如5 mV)下的傳輸延遲,以及50 mV甚至100 mV的較大過(guò)驅(qū)下的不同傳輸延遲。
 
儀表放大器最重要的指標(biāo)是共模抑制比(CMRR),因?yàn)閼?yīng)用需要提取一個(gè)位于大共模電壓之上的非常小的差模信號(hào)。像許多規(guī)格一樣,此規(guī)格隨頻率而變化,有時(shí)還會(huì)列出直流CMRR或非常低頻率下的CMRR。通常會(huì)提供CMRR與頻率的關(guān)系圖。例如,當(dāng)檢測(cè)H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的電流時(shí),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(yīng)用,因?yàn)楣材k妷簭囊粋€(gè)軌附近變到接近另一個(gè)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(xiě)代碼,它是指配置器件以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求(盡管某些儀表放大器確實(shí)有通過(guò)SPI端口和寄存器進(jìn)行傳統(tǒng)軟件編程的功能)。
 
運(yùn)算放大器需配置為負(fù)反饋。這可以是純阻性元件,但通常將電阻與電容并聯(lián)使用以限制帶寬。這樣有助于提高信噪比,因?yàn)樵肼晻?huì)在整個(gè)范圍內(nèi)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(gè)積分器或微分器。
 
比較器應(yīng)始終有一點(diǎn)正反饋,以確保一旦輸入迫使輸出移動(dòng),輸出就會(huì)強(qiáng)化移動(dòng)(參見(jiàn)圖4和圖5)。圖片和計(jì)算參見(jiàn)MT-083。一些比較器具有內(nèi)部遲滯,但如果需要,通常可以增加更多遲滯。一些具有內(nèi)部遲滯的比較器有一個(gè)引腳用來(lái)添加一個(gè)電阻,以改變其遲滯量。
 
運(yùn)算放大器可以用作比較器,但這并不理想,有一些事項(xiàng)要注意。您必須是一個(gè)很好的模擬設(shè)計(jì)人員才能很好地做到這一點(diǎn)。MT-083介紹了一些注意事項(xiàng),討論其利弊的相關(guān)文章有很多。如果您不懼危險(xiǎn),可以查閱參考資料。
 
比較器幾乎總是用電阻進(jìn)行編程。您可以添加一個(gè)高阻值電阻來(lái)提供一點(diǎn)正反饋,也可以使用一個(gè)電容來(lái)提供交流反饋以避免增加直流遲滯。一些比較器具有內(nèi)置遲滯,但這同樣可以通過(guò)增加少量正反饋來(lái)提高。
 
最后注意事項(xiàng)
 
嘗試將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí),會(huì)有微妙的事情發(fā)生。有不少低噪聲雙極性運(yùn)算放大器的輸入之間具有反并聯(lián)二極管。大多數(shù)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(yùn)算放大器的輸入之間有一個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)二極管。這是為了防止輸入級(jí)與發(fā)射極基極結(jié)之一形成齊納效應(yīng),導(dǎo)致噪聲性能隨時(shí)間推移而降低。
 
在一個(gè)3.3 V系統(tǒng)中,如果將5 V運(yùn)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)輸入為3 V而另一個(gè)輸入為0 V的問(wèn)題,因?yàn)檫@些二極管限制了運(yùn)算放大器輸入端允許的最大差分電壓。
 
總結(jié)
 
對(duì)于許多應(yīng)用,運(yùn)算放大器的選擇取決于用戶(hù)是注重直流精度、交流精度、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬還是電源電壓。到2020年,有超過(guò)700款器件可供選擇。比較器的關(guān)鍵參數(shù)通常是傳輸延遲和電源電壓。選擇起來(lái)比較容易,共有122款器件可供選擇。儀表放大器的主要標(biāo)準(zhǔn)是CMRR與頻率的關(guān)系,但在DC附近,失調(diào)電壓和增益精度也很重要。由于儀表放大器是專(zhuān)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(shí)現(xiàn)未來(lái)若干年內(nèi)無(wú)故障且可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)。
 
參考電路
 
1 Harry Holt. “運(yùn)算放大器的“最大電源電流”規(guī)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(guò)遲滯根除比較器的不穩(wěn)定性。” 《模擬對(duì)話(huà)》,第34卷第7期,2000年11月。
 
4 《儀表放大器應(yīng)用工程師指南》,第3版 。ADI公司,2006年。
 
 
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