运算放大器-比较器基础知识解析
2022-06-23运算放大器和比较器无论是外观还是原理图符号都差不多，如果把它上边的标识打磨掉的话很难区分开；二者在电子设计中都有着广泛而重要的应用，加之很多电路中会出现将运放用作比较器的应用，以至于有工程师朋友时不时的会将运算放大器和比较器两者混淆。
1、运放原理简介
运算放大器，是一种用于信号调理的模拟芯片。比如对信号作放大，滤波，求和等。常见的有电压反馈型运放和电流反馈型运放。这里只介绍电压反馈型运放，继续细分可以分为下图所示。如果按照制造的工艺来区分，可以分为Bipolar(三极管)工艺，CMOS工艺，JFET工艺。目前的低压运放主要是以CMOS工艺为主，因为其有输入偏置电流小，综合性能优异等优势。从应用的角度来看，分为低压供电和高压供电，低压供电为5V以内，高压供电为5V以上，一般有24V耐压，36V耐压等级。
标准运放的符号如图所示，一个同相输入端，一个反相输入端，一个输出端，一个正电源引脚，一个负电源引脚。所以运放是差分输入，单端输出的(全差分运放除外)。运放本身并没有参考点，所以为了能够正常工作，外面的电路需要给运放一个稳定的参考点。
1、运放原理简介﹣-（续）
运放会放大其两个输入端的电压差，输出电压等于运放的开环增益乘以输入电压差，而运放自身的直流开环放大倍数至少有80dB（一万倍）以上，因此只要输入端电压有 uV 级别的压差，输出就会有很大的电压。当然这种开环放大在实际中是不好用的，因为运放的开环增益会随温度，负载，输入电压差大小而变化，为了得到稳定的放大倍数，在实际应用中都是引入负反馈来維持稳定的。
理想运放的特点：
①输入电阻无穷大
②输入失调电压为零
③输入偏置电流，失调电流为零
④开环增益无穷大
⑤输出阻抗为零
⑥带宽无穷大
⑦压援率无穷大
正是因为现实中不存在理想的运放。才会们衍生出来各式各样的的放大器，不同的应用关注的指标参数不一样，总是需要强化某个指标，而弱化某个指标，选一个折中的来设计运放。
2、负反馈的本质
为了稳定的放大，需要引入负反馈。负反馈本质上是利用输出的一部分信号反馈到输入，用运放超高的开环增益来修正许多因素导致的误差。超高的开环增益迫使输入端的压差保持在 uV 级别，也就是运放输入端虛短。 CMOs 运放输入偏置电流极小，运放输入端虚断。
3、运放的主要参数:
①供电电压范围
②共模电压输入范围(Vcm)
③输入输出轨到轨特性(Rail to Rail Input/output)
④带宽增益积(GBW/GBP)
⑤压摆率(SR)
⑥建立时间(Settingtime)与过驱动恢复时间(Overload Recovery time)
⑦失调电压(Vos)与温漂(Vos/T)
⑧输入偏置电流(IB)与失调电流(Ios)
⑨噪声(Vnoise)
⑩开环增益(Aol)
⑪共模抑制比(CMRR)
⑫电源抑制比(PSRR)
⑬输入电容(Cin)
⑭静态电流(Iq)
⑮全谐波失真加噪声(THD+N)
⑯开环输出阻抗(Ro)与闭环输出阻抗(Rout)
⑰相位裕度(φm)
①供电电压范围
运放自身没有“地(GND)”的概念，标准运放只有两个电源引脚，正电源VCC和负电源VEE，因此运放的供电电压指的是VCC-VEE的差，习惯上把供电电压范围分为低压(6v以内)，高压(6V以上)。常见的高压运放耐压等级一般有24V，36V。耐压等级是跟选取的制造工艺有关系的
运放有供电电压范围，意味着有最小值和最大值，供电电压需要大于最小值，才能让运放正常工作。供电电压不能超过最大值，否则运放内部会击穿。
一般规格书会标明两个供电电压值，建议值和极限值。建议值是厂家考虑了制造工艺的离散性，预留一定的余量。如下是润石通用系列运放RS633X的规格书，建议值是2.5V~55V，实际上供电电压位于2.2V~2.5V运放都能工作，但是带窗，噪声，勒到勒输出能力等参数都会恶化，因此最好是位干25V以上工作。55V~7V区间也能正常工作，但是大危险了，供电电压稍有波动就可能烧掉运放，因此厂家的建议最大值是5.5V。
②共模电压输入范围(Vcm)
首先要理解什么是共模电压，什么是差模电压。对于运放的同相输入端(vin+)和反相输入端(Vin-)来说:
输入共模电压定义了一个允许的输入范围，超出这个范围后，会引起运放输入级对管的异常，此时运放将不能线性的工作。RS633X的输入共模电压范围如下表所示。
通俗来说，规格书里面给出的输入共模电压范围，还有输入差模电压范围，目的只有一个，就是保证加在 VIN+ 和 VIN-上的电压不能超过允许的电压范围。对于RS633X来说，输入电压的范围只允许在VSS-0.1V~VCC+0.1V之内,如果供电电压是5.5V,那么输入允许的电压范围就是-0.1V~5.6V。
③输入输出轨到轨特性(Rail to Rail Input/output)
“轨”是指电源轨，包括正电源轨和负电源轨，如果负电源轨是接地，那么负轨就是地(GND)，正轨就是VCC。传统的Bipolar(三极管)工艺JFET工艺，都做不到轨到轨输入。CMOS工艺在输入级用一对PMOS和一对NMOS组成互补输入，可以做到轨到轨输入。轨到轨输出是指输出端的电乐可以接近正轨和负轨，注意是接近，不是等于。轨到轨输入输出的好处是输入输出电压可以接近供电电压，这样在低供电电压时输入输出的动态范围可以做得最大化。
④带宽增益积(GBW/GBP)
对于电压反馈型运放来说，有带宽增益积的概念，因为观察电压反馈型运放的开环增益曲线，从主极点以后，带宽和增益的乘积几乎是一个常数。对于电流反馈型运放来说，这个是不成立的。
通常用开环增益曲线与0 dB相交处为带宽增益积，(有时候高带宽的运放并不成立)。下图是RS633X的开环增益曲线，可以看到，0dB相交处，约为11MHz，表示该器件在单位增益同相放大时，带宽为11MHZ。
④带宽增益积(GBW/GBP)---(续)
对于不同的增益(需要用噪声增益去计算)，厂家规格书给出的带宽增益积一般都是单位增益时的带宽，如果电路有对应的放大倍数，那么带宽就会相应减少。BW=GBP/Gain
⑤压摆率(SR)
压摆率，Slew Rate，是描述运放对于大信号边沿响应的快慢。从下面的波形中可以看出具体的定义。输入共模电压大小，温度的高低，都会影响压摆率SR的大小。实际应用可用公式计算:SR=2πf*Vp
比如想在10kHz频率下，保持正常的输出幅度5Vp，那么SR=2*3.14*10000*5/1000000=0.314V/us。需要用0.314V/us以上压摆率的运放才可以。由此引申出运放另外一个带宽，全功率带宽(FullPower Bandwidth)，运放的实际带宽由全功率带宽和小信号带宽中的最小值来决定。
从运放内部看，对主极点电容Cc充放电的电流大小决定了压摆巡的值。在小信号输入时（通常100mVpp以内），充放电的电流跟输入信号的幅度是线性关系，此时输出信号上升和下降时间并不是用压摆率SR来计算的，此时运放的边沿上下时间近似一阶电路的响应计算
实际上比用压率 SR 来计算快得多。当输入信号为大信号时，充放电电流增大以至于被限制在最大值，类似于一个电容被恒流充电，那么电容的输出电压就是呈线性上升，此时上升下降时间要用压摆率 SR 来计算。
⑤建立时间(Setting time)与过驱动恢复时间(Overload Recovery time)
建立时间，是运放的阶跃响应输出稳定到一定精度所需要的时间。由于受到运放小信号带宽和压摆率的限制，运放的阶跃响应总是需要一定的时间，而且随着相位裕度不同，输出电压的波动也有很大差异。
对于小信号输入(通常100mVpp以内)，输出电压的上升时间是Trise=0.35/f，然后再加上后段稳定到需要精度的时间,就构成了小信号输入时的建立时间。对于大信号输入，输出电压上升的时间用压摆率计算，大信号输出时一般没有过冲振铃，因此整个上升时间构成了建立时间。建立时间主要受运放主极点电容Cc充放电的值和相位裕度影响。
过驱动恢复时间，是指放大后的输出电压超过了电源的供电电压，当输入信号跳变时，输出电压延迟的响应时间。该参数是受运放内部的输出级影响，主要是输出管退出饱和状态的时间。
⑦失调电压(Vos)与温漂(ΔVos/AT)
理想运放输入电压为零时，输出电压也为零。实际上由于工艺的限制，运放的输入级做不到完全对称，输入失调电压 Vos，是指为了让运放的输出为零，需要额外在输入端补偿的电压值。
CMOS运放的失调电压在5mV~10mV，出厂时可以经过品员级的激光修调(Trim)，失调电压可以收窄到最大0.5mV，而封装后的电子修调，可以精确到50uV级别，如果需要更加小的失调电压，运放需要用自稳零技术，斩波和自稳零技术可以把失调电压控制在1uV级别。失调电压在某个范围时是有一定的条件的，比如规格书一般都是在共模电压为一半VCC时测试的。实际应用中，比如VCC=5V时，当共模电压在0V~3.7V时，输入PMOS对管工作，失调电压较小。当共模电压在3.7V~5V时，输入NMOS对管工作，NMOS对管一般不进行修调，此时失调电压较大，达不到规格书的标称值。
温漂是指运放的失调电压会随温度的变化而发生变化，Bipolar(三极管)工艺的运放温漂比较线性单调，CMOS工艺的运放温漂不是线性单调的，但是为了方便描述，统一归一化为X mV/℃。
运放的失调电压和温漂会被线性放大， 左图中，运放的失调电压Vos=0.1mV，温漂为1.5uV/℃，电路配置放大100倍。
Vout
=(Vos+Vdirft X(T-25℃)x100
失调电压通常拥有正态分布的特性， 正常应用时一般取最大值计算。为了减少 失调电压和温漂带来的误美。作直流放大时，通常取最低输入信号的十分之一来保持输出电压的精度。当然，如果电路是作交流放大，那么失调电压不会被放大，对输出影响有限。
⑧输入偏置电流(Ir)与失调电流(los)
理想运放的输入偏置电流和失调电流为零，早期使用Bipolar(三极管)工艺时，由于三极管属于电流控制型元件，运放的两个输入端是三极管的基极，因此有偏置电流。CMOS属于电压控制型元件，其极电流为pA级别，基本上可以忽略不计。CMOS运放输入偏置电流和失调电流受温度变化影响较大，常温下几乎为零，随着温度的上升，输入偏置电流和失调电流指数增大，这是因为CMOS运放输入引脚的ESD保护二极管漏电引起的，除非选用特别的制造工艺，否则超过100温度下，输入偏置电流都会增大成百上千倍。在一些高输出内阻的传感器信号放大中，可能会引起额外问题，如果放大电路外部使用的电阻是百kΩ级别，那么在运放输出端将会产生新的失调误差。
⑨噪声(Vnoise)
三极管，MOS管，电阻，都会产生噪声。在运放中，噪声主要有两种，低频噪声(1/f)，宽带噪声(白噪声)。在通用架构的运放中，存在电压噪声和电流噪声，噪声由于是一个随机的信号，为了方便描述，用其功率密度谱来衡量，这样方便画出噪声功率密度谱与频率的关系，最直观的方式就是用Vpp值或者Vrms值描述，一般Vpp=6.6*Vrms。
⑩开环增益(Aol)
运放的开环增益就是不加负反馈时的频率响应特性。运放直流的开环增益高达100dB(十万倍)以上，如此高的开环增益，在实际上是不适合直接放大信号的，开环增益直接受温度、输出负载，供电电压输入电压幅度影响，而目会大幅度的波动，所以一定需要引入负反馈来提高闭环增益的稳定性，单独对比直流下的开环增益意义不大。
⑪共模抑制比(CMRR)
理想情况下，运放只会放大其两个输入端的电压差，对于共模电压完全不响应。共模抑制比描述的是运放对输入的共模电压的抑制能力，输出端以失调电压的误差形式表达，一种简单的测量方式是在输入端加一个固定的共模电压，测量运放输出的偏移量，来计算共模抑制比。
实际运放对共模信号无法完全抑制，是由于运放输入对管在工艺上没办法做到完全对称，包括输入对管的跨导增益，寄生电容，温度系数等。而且共模抑制比是频率的函数，频率越高，共模抑制比越低。
为了提高差分放大电路的共模抑制比，就要求左图四个电的匹配度要非常高，如果电阻的精度是1%，那么直流下的共模抑制比只有46dB。为了解决这个问题，芯片厂家专门生产了包含四个高精度电阻的差分运放，这样直流下的共模抑制比可以高达100dB。在电路设计上，同相放大器电路，两个输入端的电压跟随输入信号，会由于其模抑制比的原因而在输出端产生额外失调电压。对于高精度的ADC采样，可能会影响后几bit读数。反相放大器电路，其同相端一般接到古定的参考电压上，运放两个输入端的电压比较恒定，因此在输出端产生的失调电压相对较低。
⑫电源抑制比(PSRR)
运放的电源电压波动时，会轻微影响内部的恒流源静态点，导致运放输出端以失调电压的形式出现误差。电源抑制比描述的是运放对电源波动的抑制能力，通常分为对正电源轨PSRR+，负电源轨PSRR-的抑制能力，两者通常有点差异。电源抑制比也是频率的函数，频率越高，电源抑制比PSRR越低。
电源抑制比的测量如左图所示，通过测量运放输出端的残余信号来计算。从右图PSRR曲线可以看出，低频下都有很好的抑制能力，当频率逐渐升高时，开始以-20dB/dec下降，这是因为运放内部差分对的拖尾恒流源的电容随频率改变，恒流源的等效阻抗随频率升高而减少。所以如果应用中的负电源VEE由DC-DC或者电荷泵等器件产生，那么需要做好滤波工作，可以在运放电源端串联RC，LC，或者磁珠+电容，目的是减少运放两个电源端的高频纹波。
⑬输入电容(Cin)
运放的输入电容分为共模输入电容和差模输入电容，现在的CMOS运放大多数具有EMI抑制功能，其共模输入电容和差模输入电容会偏大一点，大概有10pF~20pF。运放的输入电容在某些应用下会引起问题，主要有引起输出振荡，或者由于两个输入端的共模电容偏差较大，引起共模抑制比恶化。
反相端的输入共模电容会与反馈电阻RF形成一个极点，从输出端反馈回来的信号会有相移，再回馈到反相端，造成同相端和反相端的相移不是正常的对应状态，输出电压会存在过冲或者直接振荡。要解决此问题，一个是需要等比例整体降低反馈电阻的阻值，另一个是在反馈电RF上并联电容，引入额外的零点来修正造成的相移。
共模输入电容如果不对称平衡，会引起共模抑制比的恶化，因为运放同相端和反相端的相移不相等，自然进入运放的信号就不是对称的，此时共模信号也会被放大。除了运放自身引脚以及内部电路引起的不平衡以外，PCB Layout时，同相端和反相端走线引起的寄生电容不对称也是原因，为了降低这个影响，外围的增益电阻和反馈电阻最好不要取值过大。
⑭静态电流(Iq)
运放的静态申流是指运放外干放大状态，并目其输入共模电压外干某个电压，器件自身消耗的电流，输出负载的电流是不计算在内的。因为标准的运放没有接地引脚，所以流入VCC引脚的电流约等于流出VEE引脚的电流。运放生产商测试运放的静态电流时，采用下冬的电路，正负电源供电，配置成缓冲器，同相端接地，相当于输入共模电压是运放供电电压的一半，然后测试vcC和VEE引脚的电流，输出引脚不能接入负载。
运放的静态电流是内部众多恒流源偏置电流的来源，包括输入差分对管，输出推挽对管等。静态电流直接影响运放众多的参数，比如带，噪声，压摆率等。静态申流越大，带宽和压摆率越高，噪声更低。所以高速(GBP>100MHz)的运放其静态电流一般都是5mA/ch以上。对干现在很多10T设备的应用，又希望静态电流做的非常低，那么只能牺牲带宽，用摆率，噪声，相位裕度等指标，降低内部恒流源的偏置电流，来降低运放整体的静态电流。
⑮全谐波失真加噪声(THD+N)
全谐波失真加噪声，计算公式为
意思是一个信号经过运放后，统计其输出端各次谐波失真幅度，再加上带内噪声，最后得出一个有效值电压，相对于基波信号的比值。
在音频领域应用中，THD+N非常重要，因为数字音频存储用的位数一般为24bit或者32bit，稍有些许失真就能把后面的几bit淹没掉，不过人耳对于一个信号的失真，大概5%以上的失真才可能听得出来。
一个信号经过运放后产生失真的原因，分为输入差分对管的交越失真，输入阻抗非线性，密勒电容电流的非线性，输出推挽级的交越失直。其中运放的负反馈会尽最大能力去修正以上的失直，负反馈最大的作用，就是让运放两个输入端的电压尽量接近，这样运放输入级的差分电压也会很小，强迫运放内部的电路在很窄的开环线性区间工作。
⑯开环输出阻抗(Ro)与闭环输出阻抗(Rout)
开环输出阻抗Ro是运放固有的特性，不随运放的增益而改变。闭环输出阻抗Rout相当于把整个运放的电路看成一个黑匣子，计算的是运放处于负反馈状态下输出端的阻抗。计算公式为
。
Bipolar（三极管）工艺的运放开环输出阳抗比较平，到高频段才非线性。CMOS工艺的运放开环输出阳抗则复杂得多。没办法用固定的曲线来衡量，不同带宽，静态电流的运放开环输出阻抗差异很大。而且即使是同一个运放，输出负载吸取的直流电流不一样，开环输出阴抗也不一样，庆幸的是，运放的负反馈会帮我们解决这些问题。
运放的开环输出阻抗最大的危害，就是如果运放输出端存在容性价截，那么一老就会在开环曲线上形成一个极占，如果极点在有用的频带内，相移会比较大，经过反相端反馈回来后，会造成运放振荡。所以CMOS工艺的运放，其输出端不要轻易直接用电容接地滤波，即使要对输出电压滤波，也要先串联一个电阻才能接电容到地。
⑰相位裕度(φm)
首先要了解运放处于负反馈状态下，增益跟频率的三条曲线，开环增益Aol，闭环增益1/β，环路增益Aol*β，简写Aβ。因为这三条曲线决定了运放负反馈的稳定性，判断稳定性的标准是环路增益AB曲线的相位，距离相移180°，是否还存在45°的相位裕度。
4、运放应用的问题探讨
a)运放最大能够放大多少倍?
b)运放可以放大多微弱的信号?
c)双电源供电的运放是否可以改成单电源供电?是否可以不对称供电?
d)运放的输出总误差是什么?
4、运放应用的问题探讨---(续)
a)运放最大能够放大多少倍?
根据开环增益的曲线以及增益带宽积GBP的定义，Gain=GBP/Bandwidth，因此最大能够放大多少倍是跟带宽相关的，极限情况下放大超低频信号(比如0.1Hz)，那么放大倍数可以接近Aol 曲线低频段增益，但是由于没有足够环路增益用于修正误差，此时输出电压将偏离理想的输出电压值，而目单级过高的放大倍数会把运放的失调电压。噪声放大，使电路“不好用”。建议单级放大电路控制在100倍以内。
b)运放可以放大多微弱的信号?
取决于所用运放的底噪水平。如果需要运放放大微弱信号(1uV~10mV)，首先要让运放的输入共模电压远离两个电源轨，保证能够线性放大然后限制运放的带宽，这样能有效降低带外噪声。总之，只要有用信号不被噪声淹没，那么都能有效放大。
c)双电源供电的运放是否可以改成单电源供电?是否可以不对称供电?
可以，标准运放并没有地GND引脚，所以运放并不知道“地GND”在哪里，运放内部的电路都是参考VEE引脚的，但是对于输入的信号来说，因为运放放大的是输入的差分电压，因此必然会有输入信号的参考点，外理好输入共模电压的范围即可，负反馈的存在可以不对称供电。
d)运放的输出总误差是什么?
总共有9项误差构成， Verror=Vos+Vos_drift+Vbias+Vbias_drift+Vnoise +VCMRR+VPSRR+VAOI+VEMIRR
不管是直流放大还是交流放大，实际的输出电压跟理想的输出电压值之间的差距。就是以上9项误差构成的，而目运放的这些误差项。都是在一直变化的，随温度变，随时间变。引入负反馈非常重要，能够无时无刻地修正以上误差，当然不是“消除”，而是尽量减少。
5、运放与比较器的区别
运放的设计目的是用于存在负反馈的场合，比较器是用于开环应用。
a)为了负反馈稳定，运放内部有密勒电容，比较器则不需要，因此比较器没有压摆率这个参数。输入一个阶跃信号时，运放上升是慢吞吞的。而比较器则马上就翻转了。
b)一些高压的运放，还有Bioolar(三极管)工艺的运放，两个输入引脚之间会存在双向钳位二极管。低压的CMOS运放一般没有，比较器没有双向钳位的二极管。所以把运放当比较器来用，要判断是否需要加限流电阻，以免烧掉运放。
c)运放有带宽，比较器一般不用带宽来衡量其翻转速度，用TPHL，TPLH，Tfall，Trise，来表示速度。
一个简单的计算比较器速度方法是
d)运放输出端都是推挽输出的，比较器可以做成推挽输出，也可以做成开漏输出。
e)运放输出过载后，需要比较长的恢复时间。比较器的过载恢复时间非常短。
f)有些运放的输入共模电压范围，不能到正电源轨。许多比较器是支持到正电源轨的。
g)运放可以当比较器使用(在一些低速翻转场合可以)，而比较器不能当运放使用。
6、如何根据应用选择合适运放
运放选择判断步骤:
1、实际工作电压，选用低压运放还是高压运放，高压运放比低压运放贵很多:
2、是否需要轨到轨输入/输出特性:
3、客户具体的应用场合，比如:
1)音频应用，注重带宽，压摆率，噪声，输出轨到轨特性
2)便携式产品应用，注重静态电流，带宽等:
3)传感器应用，注重失调电压，温漂，静态电流，输入偏置电流，共模抑制比等;
4)采样电流应用，注重带宽，失调电压，温漂，静态电流等:
5)滤波器应用，注重带宽，乐摆率，轨到轨输入输出特性等:
6)仪器仪表应用，注重失调电压，温漂，1/f噪声等:
7)医疗应用，注重噪声，带宽，轨到轨输入输出特性等。
7、润石公司运放和比较器的优势
运放:
全系列运放种类齐全，低噪声，高精度，高速，微功耗，通用型
有1μA/ch的微功耗运放，适合用于PIR，气体传感器等应用场合
通用系列运放有失调电压最大为0.5mV的版本
精密运放失调电压最大为5μV，温漂最大50nV/℃，比同行最大20nV要好
高压通用型运放，高压高精度型运放，高压差分运放，仪表放大器 即将发布。
比较器:
全系列比较器种类齐全，微功耗，通用型，高速型
有1μA/ch的微功耗比较器，适用于智能家居等超低功耗产品
RS331/RS393/RS339，通用型1路/2路/4路比较器，支持轨到轨输入进行比较。
