大家有沒有留意，在模擬電路圖上，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（即下圖1）。

圖1 ：同時表達運算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號

如果我們在芯片規格書內看到“三角形”器件，在選料時是否意味著可以把它應用于任何地方？理論上是可以的。您可以強制其中之一來實現其他功能，但系統性能不會達至最佳。因此，原廠一般會在規格書內列出了其器件的建議應用。

通過本文，讓我們看看它們之間的區別以及選型應用時需要注意的地方，以便我們盡可能圍繞它們進行設計，同時也深入了解如何使用參數篩選來找到合適的運算放大器。

下面的表 1 中總結了三個器件的重要參數或規格之間的差異。

運算放大器比較器儀表放大器

反饋負無/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

輸入電容無可能有良好

輸出模擬/線性數字模擬/線性

重要參數VOS，GBW/PM傳輸延遲CMRR

編程R或C無R、SPI、跳線

表1 ：運算放大器、比較器和儀表放大器的比較 （資料來源：ADI）

反饋的特性

先來看看“運算放大器”應用中可實現哪些功能。由于運算放大器具有巨大的增益，從理論上講，為使電路可用，我們需要施加反饋。當輸出要變得過高時，控制信號會反饋到輸入，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，為防止輸出將直接沖到一個軌或另一個軌，這時候便需要“負反饋”。

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

相反，儀表放大器本身反饋已經在內部，因此將儀表放大器用作運算放大器并為其添加反饋，是沒有意義的。以ADI公司AD621系列儀表放大器作例子，圖2顯示了該器件內已包含了工三個運算放大器。

圖2 ：AD621系列“三運放”儀表放大器（圖片來源：ADI）

運算放大器的反饋等式：

利用（1），假設儀表放大器為G，期望增益為10，如接上負反饋，這意味著反饋系數為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。

元器件選型

為方便工程師能夠款速找出并訪問運算放大器、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了相應元器件的類型。

圖3. 運算放大器、比較器和儀表放大器在Digi-Key產品目錄的分類顯示

開環和閉環增益

如上所述，對于運算放大器，參考等式（1），開環增益（AVOL）越高，閉環增益越準確，誤差越小。

比較器用于開環系統，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（閾值），則最小增益可能約為3000。除了要考慮系統的帶寬要求，也需要解決噪聲問題。較高的增益可使不確定性窗口變小，但如果增益過高，微伏級的噪聲就會觸發比較器。

對于儀表放大器，開環增益的概念并不適用。

元器件選型

Digi-Key 官網對于運算放大器的篩選表已經清楚地列出了帶寬的參數，可見其覆蓋范圍非常寬，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帶寬，如忽略儀表放大器及比較器的選項，由于運算放大器包括很多類型，可以看到-3db 帶寬包含很大頻率的范圍，最高更可達數十GHz.

圖4：Digi-Key官網中“-3db 帶寬”選項顯示

輸入電容

如上述，對于運算放大器，讓我們來看看以下圖5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，還可能會產生振蕩。未加上電容的方式，其反饋系數為R2/R1，但如果將電容加在兩者間，反饋系數將變為R2/（R1 // Xc），隨著頻率提高，反饋系數也會提高，因此噪聲增益以+ 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，即導致振蕩。

圖5 ：其中一個方法“嘗試”減少運算放大器帶寬 （圖片來源：ADI）

比較可行的限制電路帶寬的方法，是在R2兩端放置電容（C2），如圖6 。

圖6 ：通過在R2兩端放置電容減少運算放大器帶寬（圖片來源：ADI）

相反，比較器通常沒有負反饋網絡，因此圖7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7：比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器 （圖片來源：ADI）

對于儀表放大器，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布局布線，如以下圖中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并提高性能。

圖8 ：AD8220的”RFI濾波器“應用電路圖 （圖片來源：ADI）

除了 RFI 抑制之外，該濾波器還提供額外的輸入過載保護，因為電阻器 R5 和 R6 有助于將儀表放大器的輸入電路與外部信號源隔離。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引腳上。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并降低高頻共模抑制。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 范圍。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于與數字電路接口。一種較差和較復雜的方法，是在輸出端放置一個二極管鉗位，以保護數字輸入不受損壞，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。雖然開集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采用一個電壓（如5V）供電，但仍能在其他電壓（如3.3 V）下與邏輯接口運作。

元器件選型

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 官網上的產品篩選項目也有詳細列示。

圖9 ：Digi-Key官網上運算放大器及儀表放大器「輸出」選項顯示

圖10 ：Digi-Key官網上比較器「輸出」選項顯示

重要參數

增益帶寬

對于運算放大器，我們需要一個高于最高信號頻率的增益帶寬，以保持較低閉環誤差。查看上文的等式（1），我們可以看到增益帶寬應為最高信號頻率的10至100倍。從等式（1）可以看出，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。對于修整的雙極型運算放大器，25μV至100μV是較好的。對于FET輸入運算放大器，200μV至500μV是較好的。

傳輸延遲

對于比較器，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資料。

共模抑制比 （CMRR）

儀表放大器的重要參數是共模抑制比（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.

共模抑制比隨頻率而變化，如下圖11 所示 AD8422 共模抑制比與頻率的關系。此外，有時規格書還會列出直流CMRR或非常低頻率的CMRR。

圖11：AD8422 共模抑制比與頻率的關系 （圖片來源：ADI）

如果您要檢測H橋電機驅動器中的電流，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11所示使用的驅動應用圖。

圖12：使用AD8207進行雙向共模高擺幅電流檢測 （圖片來源：ADI）

這可能是儀表放大器最困難的應用，因為共模電壓是從一個軌附近變到另一個軌附近，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“并不是代表編寫代碼，而是指需要配置器件以滿足系統要求（盡管某些儀表放大器確實已具有帶SPI端口和寄存器進行傳統軟件編程的功能）。對于運算放大器，我們將器件配置為負反饋。這可以使用純電阻性元件，但通常是將電阻器與電容器并聯使用來限制帶寬。這將有助于提高信噪比，因為即使我們僅使用一部分噪聲，也會在整個范圍內對其進行積分，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反饋，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引腳，用于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，但這并不理想，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作編程。您可以添加一個高阻值電阻以提供一點正反饋。

總結

以往工程師在選擇運算放大器時，會聚焦于個別的特性，例如直流及交流精度、輸入失調電壓、增益帶寬等規格是否適合系統，但現今的運算放大器產品眾多，在這情況下，不少生產商已經根據不同的應用將運算放大器產品分類，如文章中所介紹的比較器及儀表放大器，這有助于在選料時縮小目標范圍，加之Digi-Key 官網上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。

責任編輯：haq