運算放大器產品眾多，不少生產廠商已經根據不同的應用將運算放大器產品分類。大家是否會留意類比電路圖，在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（圖一）。

圖一 : 同時表達運算放大器、儀表放大器或比較器的電路圖符號

如果在晶片規格書內看到「三角形」元件，在選料時是否意味著可以把它應用於任何地方？理論上是可以的。您可以強制其中之一來實現其他功能，但系統性能並不會達至最佳化。因此，原廠一般會在規格書內列出了其元件的建議應用。從本文可看出它們之間的區別以及選型應用時需要注意的地方，以便盡可能圍繞它們進行設計，同時也深入瞭解如何使用參數篩選來找到合適的運算放大器。

表一當中總結三個元件的重要參數或規格之間的差異。

回饋的特性

先來看看「運算放大器」應用中可實現哪些功能。由於運算放大器具有巨大的增益，從理論上講，為使電路可用，我們需要施加回饋。當輸出要變得過高時，控制訊號會回饋到輸入，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，為防止輸出將直接衝到一個軌或另一個軌，這時候便需要「負反饋」。

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

相反地，儀表放大器本身回饋已經在內部，因此將儀表放大器用作運算放大器並為其添加回饋，是沒有意義的。以ADI公司AD621系列儀表放大器為例，圖二顯示該元件內已包含了共三個運算放大器。

圖二 : AD621系列三運放儀表放大器（source：ADI）

假設在方程式中，儀表放大器為G，期望增益為10，如接上負反饋，這意味著回饋係數為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。

零組件選型

為方便工程師能夠快速找出並閱讀運算放大器、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瞭相應零組件的類型。

開環和閉環增益

如上所述，對於運算放大器，開環增益（A_VOL）越高，閉環增益越準確，誤差越小。

比較器用於開環系統，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，則最小增益可能約為3000。除了要考慮系統的頻寬要求，也需要解決雜訊問題。較高的增益可使不確定性窗口變小，但如果增益過高，微伏級的雜訊就會觸發比較器。

對於儀表放大器，開環增益的概念並不適用。

零組件選型

Digi-Key官網對於運算放大器的篩選表已經清楚地列出了頻寬的參數，可見其覆蓋範圍非常寬，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頻寬，如忽略儀表放大器及比較器的選項，由於運算放大器包括很多類型，可以看到-3db頻寬包含很大頻率的範圍，最高更可達數十GHz。

輸入電容

如上述，對於運算放大器，看看圖三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，還可能會產生振盪。未加上電容的方式，其回饋係數為R2/R1，但如果將電容加在兩者間，回饋係數將變為R2/(R1//Xc)，隨著頻率提高，回饋係數也會提高，因此雜訊增益以+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，即導致振盪。

圖三 : 其中一個方法「嘗試」減少運算放大器頻寬（source：ADI）

比較可行的限制電路頻寬的方法，是在R2兩端放置電容（C2），如圖四。

圖四 : 透過在R2兩端放置電容減少運算放大器頻寬（source：ADI）

相反地，比較器通常沒有負反饋網路，因此圖五中比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器是可行的。

圖五 : 比較器前面的簡單R和C構成的低通濾波器（source：ADI）

對於儀表放大器，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佈局佈線，如圖六中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並提高性能。

圖六 : AD8220的「RFI濾波器」應用電路圖（source：ADI）

除了RFI抑制之外，該濾波器還提供額外的輸入超載保護，因為電阻器R5和R6有助於將儀表放大器的輸入電路與外部訊號源隔離。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接腳上。因此，C3/R5和C5/R6的時間常數之間的任何不匹配，都會使電橋不平衡並降低高頻共模抑制。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範圍。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用於數位電路介面。一種較差和較複雜的方法，是在輸出端放置一個二極體鉗位，以保護數位輸入不受損壞，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。雖然開極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採用一個電壓（如5V）供電，但仍能在其他電壓（如3.3 V）下與邏輯介面運作。

零組件選型

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官網上的產品篩選專案也有詳細列示。

重要參數

增益頻寬

對於運算放大器，需要一個高於最高訊號頻率的增益頻寬，以保持較低閉環誤差。，我們可以從方程式中看到增益頻寬應為最高訊號頻率的10至100倍。從如前所述，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。對於修整的雙極型運算放大器，25μV至100μV是較好的。對於FET輸入運算放大器，200μV至500μV是較好的。

輸延遲

對於比較器，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數據。

共模拒斥比（CMRR）

儀表放大器的重要參數是共模拒斥比（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。

共模拒斥比隨頻率而變化，如圖七AD8422共模拒斥比與頻率的關係。此外，有時規格書還會列出直流CMRR或非常低頻率的CMRR。

圖七 : AD8422共模拒斥比與頻率的關係（source：ADI）

如果要檢測H橋馬達驅動器中的電流，或使用儀表放大器（如AD8207）進行雙向共模高擺幅電流檢測，如圖八所示使用的驅動應用圖。

圖八 : 使用AD8207進行雙向共模高擺幅電流檢測（source：ADI）

迅速反向，其中的增益頻寬和壓擺率都很重要。

程式設定

此處的「程式設定」並不是代表編寫程式碼，而是指需要配置元件以滿足系統要求（儘管某些儀表放大器確實已具有帶SPI埠和暫存器進行傳統軟體程式設計的功能）。對於運算放大器，我們將元件配置為負反饋。這可以使用純電阻性元件，但通常是將電阻器與電容器並聯使用來限制頻寬。這將有助於提高訊噪比，因為即使僅使用一部分雜訊，也會在整個範圍內對其進行積分，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回饋，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接腳，用於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，但這並不理想，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做設定，而添加一個高阻值電阻可以提供一點正回饋。

總結

以往工程師在選擇運算放大器時，會聚焦於個別的特性，例如直流及交流精度、輸入失調電壓、增益頻寬等規格是否適合系統，但現今的運算放大器產品眾多，在此情況下，不少生產廠商已經根據不同的應用將運算放大器產品分類，例如比較器及儀表放大器，有助於在選料時縮小目標範圍，而Digi-Key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。

（本文由Digi-Key Electronics公司提供）