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一個簡單的三角形符號到底意味著什么?

發(fā)布人:電巢 時間:2022-12-16 來源:工程師 發(fā)布文章

符號是有助于還是妨礙我們思考設(shè)計?符號很重要,但如果一個符號可以表示多種東西呢?正如我們將看到的那樣,這可能會造成問題。

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現(xiàn)另一個的功能,但系統(tǒng)性能將不是最佳的。

圖1,哪個三角形表示運(yùn)算放大器?哪個三角形表示比較器?哪個三角形表示儀表放大器?

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圖1.運(yùn)算放大器、儀表放大器和比較器。

答案:

它們都是!

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,但它們對電路和系統(tǒng)意味著什么?

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我們來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,開始分析時,兩個輸入之差等于零。但在現(xiàn)實生活中,這是不可能的。如果開環(huán)增益為一百萬,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)輸出要變得過高時,控制信號會反饋到輸入,抵消原始激勵——例如負(fù)反饋。

當(dāng)用作比較器時,如果沒有反饋,輸出將直接沖到一個軌或另一個軌。如果是正反饋,輸出將在同一方向上被驅(qū)動到更遠(yuǎn)。因此,運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋。實際上,當(dāng)某些運(yùn)算放大器用作無反饋的比較器時,電源電流可能比數(shù)據(jù)手冊上的最大值高5至10倍

但是,對于比較器來說,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,輸出將開始緩慢變化。

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。但隨后它開始回頭,產(chǎn)生振蕩行為,有時稱之為震顫。

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圖2.經(jīng)典三運(yùn)放儀表放大器

對于儀表放大器,反饋已在內(nèi)部,添加反饋只會產(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:每個運(yùn)放都有反饋。我們從使用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋圖(見圖3)開始,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,選擇儀表放大器固定增益為100。使用式1,實際的閉環(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有意義的。

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圖3.經(jīng)典反饋原理圖

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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。

開環(huán)和閉環(huán)增益

對于運(yùn)算放大器,參見式1,開環(huán)增益(AVOL)越高,閉環(huán)增益將越精確。大多數(shù)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益在100,000至1000萬之間,但某些較早的高速運(yùn)算放大器可能低至3000。如前所述,開環(huán)增益越高,閉環(huán)增益誤差越小。

對于比較器,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,但如果增益過高,微伏級的噪聲就會觸發(fā)比較器。

對于儀表放大器,開環(huán)增益的概念并不適用。

輸入電容

電路中常常會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)算放大器開環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降。它們在40 dB處交叉,根據(jù)控制系統(tǒng)理論,這肯定會產(chǎn)生振蕩。限制電路帶寬的正確方法是在R2兩端放置電容。

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圖4.嘗試減少運(yùn)算放大器帶寬

比較器通常沒有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),因此圖5中比較器前面的簡單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。

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圖5.具有LPF和遲滯的比較器

對于儀表放大器,輸入端放置電容是完全可以接受的,如圖6中的C4所示。

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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從接近一個軌擺動到另一個軌。根據(jù)輸出級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開集或開漏輸出。雖然開集或開漏輸出需要一個上拉電阻,導(dǎo)致上升和下降時間不等,但它有如下優(yōu)點:比較器采用一個電壓(如5 V)供電,并在其他電壓(如3.3 V)下與邏輯接口。

總結(jié)

對于許多應(yīng)用,運(yùn)算放大器的選擇取決于用戶是注重直流精度、交流精度、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬還是電源電壓。比較器的關(guān)鍵參數(shù)通常是傳輸延遲和電源電壓,選擇起來比較容易。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。

只有選擇正確的器件,才能實現(xiàn)未來若干年內(nèi)無故障且可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和設(shè)計。


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