運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是一種高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直流耦合放大器。其基本功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。運(yùn)算放大器通常具有兩個(gè)輸入端(同相輸入端和反相輸入端)和一個(gè)輸出端。在理想情況下，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大，輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗為零。通過(guò)外部電路(如反饋網(wǎng)絡(luò))，運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括電壓放大、信號(hào)處理、濾波等。

比較器

比較器是一種用于比較兩個(gè)輸入信號(hào)大小的電路，其輸出信號(hào)通常只有兩種狀態(tài)(高電平或低電平)。比較器的基本原理是利用運(yùn)算放大器的高增益特性，將兩個(gè)輸入信號(hào)的差值放大到飽和狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)邏輯判斷。當(dāng)一個(gè)輸入信號(hào)高于另一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，輸出為高電平;反之，輸出為低電平。

聯(lián)系與轉(zhuǎn)換

盡管比較器和運(yùn)算放大器在功能和特性上存在顯著區(qū)別，但它們之間也存在緊密的聯(lián)系。實(shí)際上，比較器可以看作是一種特殊的運(yùn)算放大器，其工作原理基于運(yùn)算放大器的高增益特性。

(1)比較器的實(shí)現(xiàn)方式

比較器可以通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)運(yùn)算放大器的增益非常高時(shí)，其輸出信號(hào)會(huì)迅速飽和到高電平或低電平，從而實(shí)現(xiàn)比較功能。例如，將一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓，反相輸入端接待比較信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的比較器功能。

(2)運(yùn)算放大器的比較功能

運(yùn)算放大器也可以用于比較信號(hào)，但其性能通常不如專(zhuān)用比較器。運(yùn)算放大器在比較信號(hào)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)輸出延遲、振蕩等問(wèn)題，需要通過(guò)外部電路(如遲滯網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行優(yōu)化。

(3)應(yīng)用場(chǎng)景的重疊

在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，比較器和運(yùn)算放大器可以互換使用。例如，在簡(jiǎn)單的過(guò)零檢測(cè)電路中，運(yùn)算放大器可以替代比較器實(shí)現(xiàn)基本的比較功能。然而，對(duì)于高精度、高頻率或快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，專(zhuān)用比較器通常是更好的選擇。

運(yùn)算放大器和比較器的基礎(chǔ)知識(shí)

快速瀏覽任何主要集成電路 (IC) 供應(yīng)商的產(chǎn)品組合，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量各種放大器 IC。其中包括眾所周知的運(yùn)算放大器 (op amp) 和其他更專(zhuān)業(yè)的放大器，例如儀表放大器、 電流檢測(cè)放大器、差分放大器和跨阻放大器，僅舉幾例。即使是看似基本的比較器 IC 也經(jīng)常被歸入放大器類(lèi)別。

雖然這些不同類(lèi)型的放大器之間有很多功能重疊，但每種放大器的設(shè)計(jì)都針對(duì)不同的功能或用例而打造。本文將仔細(xì)研究?jī)煞N常見(jiàn)的 IC——運(yùn)算放大器和比較器，并探討將運(yùn)算放大器用作比較器可能存在的缺陷。

在模擬電子電路中，運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)和比較器(Comparator)是兩類(lèi)看似相似但功能特性截然不同的核心器件。它們均以放大信號(hào)為基礎(chǔ)，但設(shè)計(jì)目標(biāo)、電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景存在顯著差異。

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)與核心功能差異

1. 運(yùn)算放大器：追求線性放大與精準(zhǔn)控制

運(yùn)放的設(shè)計(jì)初衷是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的線性放大，其核心功能是在線性工作區(qū)內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例運(yùn)算(如放大、加減、積分、微分等)。它通過(guò)深度負(fù)反饋機(jī)制迫使輸出與輸入之間滿足特定的線性關(guān)系，典型應(yīng)用包括信號(hào)調(diào)理、有源濾波、電壓跟隨等。

2. 比較器：專(zhuān)注電平判別與數(shù)字輸出

比較器的核心功能是對(duì)兩路輸入信號(hào)的大小進(jìn)行判別，輸出二進(jìn)制邏輯電平(高或低)，屬于非線性器件。它無(wú)需負(fù)反饋，直接工作在運(yùn)放的開(kāi)環(huán)飽和區(qū)，典型應(yīng)用包括閾值檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、波形整形等。

二、電路架構(gòu)與性能指標(biāo)對(duì)比

1. 放大機(jī)制與反饋結(jié)構(gòu)

運(yùn)放：

內(nèi)部集成高增益差分放大級(jí)、中間電壓放大級(jí)和推挽輸出級(jí)，依賴(lài)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)(如電阻分壓)將閉環(huán)增益限制在合理范圍(如 1~1000 倍)，避免進(jìn)入飽和區(qū)。

例：反向放大器電路中，輸入信號(hào)通過(guò)電阻接反相端，同相端接地，輸出通過(guò)反饋電阻回接反相端，形成深度負(fù)反饋。

比較器：

簡(jiǎn)化放大級(jí)以提高速度，通常省略中間電壓放大級(jí)，直接通過(guò)差分輸入級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。

無(wú)負(fù)反饋，僅可能引入正反饋(遲滯電阻)以抑制噪聲引起的誤翻轉(zhuǎn)(如施密特觸發(fā)結(jié)構(gòu))。

運(yùn)算放大器和比較器概述

讓我們從非常高層次的角度來(lái)看一下這兩種類(lèi)型的 IC。乍一看，它們非常相似;甚至運(yùn)算放大器和比較器的電路符號(hào)也相同——一個(gè)三角形，具有正負(fù)輸入和單個(gè)輸出。但這兩種類(lèi)型的 IC 的實(shí)際設(shè)計(jì)和預(yù)期用途卻截然不同。

圖 1：基本運(yùn)算放大器和比較器電路符號(hào)

運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 為與負(fù)反饋一起工作，這意味著放大器的輸出連接到反相(負(fù))輸入。這種負(fù)反饋回路的構(gòu)造方式將決定放大器的運(yùn)行(因此得名)。示例包括創(chuàng)建低通或高通濾波器、放大器、積分器、電壓跟隨器等。由于這種負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為在線性區(qū)域內(nèi)工作，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在放大器的電源軌之間。

另一方面，比較器的輸出級(jí)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于飽和工作，這意味著輸出電壓始終接近一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌，而不是介于兩者之間。比較器中缺少負(fù)反饋和輸出級(jí)的設(shè)計(jì)是運(yùn)算放大器和比較器之間的巨大差異。

圖 2：飽和與線性工作區(qū)

使用運(yùn)算放大器作為比較器

一般來(lái)說(shuō)，如果給定的設(shè)計(jì)需要比較器，最好直接使用比較器。這種設(shè)備是專(zhuān)門(mén)為該功能設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，因此將提供最佳結(jié)果。但在某些情況下，使用運(yùn)算放大器作為比較器功能很有吸引力。例如，如果給定的設(shè)計(jì)包含未使用的運(yùn)算放大器并且需要比較器，那么使用該運(yùn)算放大器作為比較器將節(jié)省時(shí)間、電路板面積和成本?？紤]到這一點(diǎn)，讓我們探討一下將運(yùn)算放大器用作比較器的一些可能陷阱。

讓我們首先考慮一下運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。并非所有運(yùn)算放大器都提供軌到軌輸入級(jí)，因此必須小心確保在給定的應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的輸入共模范圍不會(huì)超出范圍。與輸入級(jí)有關(guān)的另一個(gè)可能的問(wèn)題是運(yùn)算放大器的差分輸入范圍。一些運(yùn)算放大器具有背靠背二極管，可防止反相和非反相輸入之間的移動(dòng)超過(guò)二極管壓降。這在雙極運(yùn)算放大器和一些高壓運(yùn)算放大器中更為常見(jiàn)。運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中的絕對(duì)最大額定值應(yīng)指示差分輸入范圍中的任何限制。

在評(píng)估運(yùn)算放大器是否能在您的應(yīng)用中正確用作比較器時(shí)，還需要考慮其輸出級(jí)的幾個(gè)因素。用作比較器時(shí)，輸出從一個(gè)電源軌轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源軌的速度將由放大器的斜率決定。必須小心確保最終比較器的速度對(duì)于給定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠快。還應(yīng)注意，在某些情況下，這可以被視為一種優(yōu)勢(shì);斜率將限制邊沿速率，從而減少與電磁干擾相關(guān)的問(wèn)題。如前所述，運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為在線性工作區(qū)內(nèi)工作，即在電源軌之間。當(dāng)放大器的輸出被強(qiáng)制到電源軌時(shí)，放大器輸出恢復(fù)時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)(如果有的話)。

最后，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為始終提供或吸收電流，因此無(wú)法通過(guò)開(kāi)漏輸出創(chuàng)建比較器功能。由于比較器本質(zhì)上具有模擬輸入和數(shù)字輸出(由輸入決定的兩種狀態(tài)之一)，因此比較器通常用于橋接不同的電路特性 - 例如將信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的電壓范圍。因此，使用具有開(kāi)漏輸出的比較器非常常見(jiàn)。

在評(píng)估是否使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)，另一個(gè)考慮因素是滯后。具有滯后的比較器使用“上限”和“下限”閾值，其中輸入信號(hào)必須超過(guò)或低于這些相應(yīng)閾值，輸出才會(huì)轉(zhuǎn)換。這對(duì)于電氣噪聲或緩慢移動(dòng)的輸入信號(hào)非常有用。大多數(shù)比較器 IC 都提供內(nèi)置滯后，有些甚至提供可調(diào)滯后。將運(yùn)算放大器配置為開(kāi)環(huán)運(yùn)行的比較器(即沒(méi)有從輸出到輸入的反饋)將導(dǎo)致沒(méi)有滯后。但是，通過(guò)使用正反饋(將輸出信號(hào)的一部分反饋到運(yùn)算放大器的非反相輸入)，可以為配置為比較器的運(yùn)算放大器添加滯后。根據(jù)輸入信號(hào)的特性，這可能不是必需的，例如如果它是沒(méi)有噪聲的快速信號(hào)。

圖 3：滯后對(duì)輸出的影響

1、運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(Op-Amp，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)是一種具有高放大倍數(shù)、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓等特性的線性放大器，被廣泛應(yīng)用在各種模擬蒂娜魯中，如放大器、反饋放大器、模擬加法器等;

運(yùn)放的核心是一個(gè)差分，具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，通過(guò)調(diào)整反饋元件，可改變放大器的增益和頻率響應(yīng)。

此外，運(yùn)放還可實(shí)現(xiàn)其他功能，如加法、減法、積分等。

2、比較器

比較器(Comparator)是一種用于比較兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的電路，只有一個(gè)輸出端，比較器的輸出狀態(tài)將區(qū)別于輸入信號(hào)的大小，當(dāng)輸入信號(hào)大于或小于參考電平時(shí)，輸出端將呈現(xiàn)高電平或低電平狀態(tài)。

比較器一般是由一個(gè)差分放大器和一個(gè)翻轉(zhuǎn)器組成，差分放大器的增益很高，可放大輸入信號(hào)的微笑差異，翻轉(zhuǎn)器的作用是將差分放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。

此外比較器可實(shí)現(xiàn)其他功能，如閾值檢測(cè)、脈沖寬度調(diào)制等。

3、運(yùn)放和比較器的本質(zhì)區(qū)別

主要區(qū)別在于應(yīng)用場(chǎng)景和功能。

運(yùn)放主要用于線性放大和模擬運(yùn)算，它的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，適用于處理模擬信號(hào)。而比較器主要用于比較輸入信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字輸出，它的輸出狀態(tài)只有高電平和低電平兩種，適用于處理數(shù)字信號(hào)。

此外，在電路設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)上也有一定的差異，運(yùn)放通常需要較高的直流增益低頻增益，以實(shí)現(xiàn)精確的線性放大和模擬運(yùn)算。而比較器則更注重高速性能和單端輸出能力，以實(shí)現(xiàn)快速比較和數(shù)字信號(hào)輸出。

在模擬電子電路中，運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)和比較器(Comparator)是兩類(lèi)看似相似但功能特性截然不同的核心器件。它們均以放大信號(hào)為基礎(chǔ)，但設(shè)計(jì)目標(biāo)、電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景存在顯著差異。

設(shè)計(jì)目標(biāo)與核心功能差異

1. 運(yùn)算放大器：追求線性放大與精準(zhǔn)控制

運(yùn)放的設(shè)計(jì)初衷是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的線性放大，其核心功能是在線性工作區(qū)內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例運(yùn)算(如放大、加減、積分、微分等)。它通過(guò)深度負(fù)反饋機(jī)制迫使輸出與輸入之間滿足特定的線性關(guān)系，典型應(yīng)用包括信號(hào)調(diào)理、有源濾波、電壓跟隨等。

2. 比較器：專(zhuān)注電平判別與數(shù)字輸出

比較器的核心功能是對(duì)兩路輸入信號(hào)的大小進(jìn)行判別，輸出二進(jìn)制邏輯電平(高或低)，屬于非線性器件。它無(wú)需負(fù)反饋，直接工作在運(yùn)放的開(kāi)環(huán)飽和區(qū)，典型應(yīng)用包括閾值檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、波形整形等。

電路架構(gòu)與性能指標(biāo)對(duì)比

1. 放大機(jī)制與反饋結(jié)構(gòu)

運(yùn)放：

內(nèi)部集成高增益差分放大級(jí)、中間電壓放大級(jí)和推挽輸出級(jí)，依賴(lài)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)(如電阻分壓)將閉環(huán)增益限制在合理范圍(如 1~1000 倍)，避免進(jìn)入飽和區(qū)。

例：反向放大器電路中，輸入信號(hào)通過(guò)電阻接反相端，同相端接地，輸出通過(guò)反饋電阻回接反相端，形成深度負(fù)反饋。

比較器：

簡(jiǎn)化放大級(jí)以提高速度，通常省略中間電壓放大級(jí)，直接通過(guò)差分輸入級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。

無(wú)負(fù)反饋，僅可能引入正反饋(遲滯電阻)以抑制噪聲引起的誤翻轉(zhuǎn)(如施密特觸發(fā)結(jié)構(gòu))。