電子基礎(chǔ)（2）：運(yùn)算放大器是否可以用作比較器? - 全文

　　運(yùn)算放大器和比較器乍看似乎可以互換，實際上，兩者還是存在一些重要差異。比較器用于開環(huán)系統(tǒng)，旨在從其輸出端驅(qū)動邏輯電路，以及在高速條件下工作，通常比較穩(wěn)定。運(yùn)算放大器的用途不同于比較器，過驅(qū)時可能會飽和，使得恢復(fù)速度相對較慢。施加較大差分電壓時，很多運(yùn)算放大器的輸入級都會出現(xiàn)異常表現(xiàn)，實際上，運(yùn)算放大器的差分輸入電壓范圍通常存在限制。運(yùn)算放大器輸出也很少兼容邏輯電路。

　　但是仍有很多人試圖將運(yùn)算放大器用作比較器。這種做法在低速和低分辨率時或許可行，但是大多數(shù)情況下結(jié)果并不理想。單靠參考運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊不能解決將運(yùn)算放大器用作比較器的所有相關(guān)問題，因為運(yùn)算放大器設(shè)計的目的并非用作比較器。

　　最常見的問題是速度（之前已經(jīng)提到過）、輸入結(jié)構(gòu)的影響（保護(hù)二極管、FET放大器的相位翻轉(zhuǎn)等）、輸出結(jié)構(gòu)（并非用于驅(qū)動邏輯電路）、遲滯、穩(wěn)定性，以及共模效應(yīng)。

　　速度考慮因素

　　大多數(shù)比較器速度都很快，不過很多運(yùn)算放大器速度也很快。為什么將運(yùn)算放大器用作比較器時會造成低速度呢？

　　比較器用于大差分輸入電壓，而運(yùn)算放大器工作時，差分輸入電壓一般會在負(fù)反饋的作用下降至最低。當(dāng)運(yùn)算放大器過驅(qū)時，有時僅幾毫伏也可能導(dǎo)致過載，其中有些放大級可能發(fā)生飽和。這種情況下，器件需要相對較長的時間從飽和中恢復(fù)，因此，如果發(fā)生飽和，其速度將比始終不飽和時慢得多。

　　過驅(qū)運(yùn)算放大器的飽和恢復(fù)時間很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過放大器的正常群延遲，并且通常取決于過驅(qū)量。由于僅有少數(shù)運(yùn)算放大器明確規(guī)定從不同程度過驅(qū)狀態(tài)恢復(fù)所需的時間，因此，一般說來，有必要根據(jù)特定應(yīng)用的具體過驅(qū)情況，通過實驗確定放大器的特性。

　　對這類實驗的結(jié)果應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度，通過比較器（運(yùn)算放大器）的傳播延遲值（用于最差條件下的設(shè)計計算）應(yīng)至少為所有實驗中最差值的兩倍。

　　輸出考慮因素

　　比較器的輸出端用于驅(qū)動特定邏輯電路系列，運(yùn)算放大器的輸出端則用于在供電軌之間擺動。

　　通常，運(yùn)算放大器比較器驅(qū)動的邏輯電路不會共用運(yùn)算放大器的電源，運(yùn)算放大器軌到軌擺動可能會超出邏輯供電軌，很可能會破壞邏輯電路，引起短路后還可能會破壞運(yùn)算放大器。

　　有三種邏輯電路必須考慮，即ECL、TTL和CMOS。

　　ECL是一種極快的電流導(dǎo)引邏輯系列。基于上述原因，當(dāng)應(yīng)用中涉及ECL的最高速度時，運(yùn)算放大器不太可能會用作比較器，因此，通常只需注意從運(yùn)算放大器的信號擺幅驅(qū)動ECL邏輯電平，因雜散電容造成的額外速度損失并不重要。只需采用三個電阻即可。

　　圖中選用了R1、R2和R3，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為正值時，柵級電平為–0.8 V，當(dāng)輸出較低時，柵級電平為–1.6 V。ECL有時候采用正電源而不是負(fù)電源（即另外一個供電軌接地），

　　采用的基本接口電路相同，但是數(shù)值必須重新計算。

　　雖然CMOS和TTL輸入結(jié)構(gòu)、邏輯電平和電流差別很大（盡管有些CMOS明確規(guī)定可以采用TTL輸入電平工作），但由于這兩種邏輯電路都在邏輯0（接近0 V）和邏輯1（接近5 V）時工作，因此非常適合采用相同的接口電路。

　　最簡單的接口采用單個N溝道MOS晶體管和一個上拉電阻RL。用NPN晶體管、RL，外加一個晶體管和二極管也可以組成類似的電路。這些電路簡單、廉價且可靠，還可以連接多個并聯(lián)晶體管和一個RL，實現(xiàn)“線或”功能，但是0-1轉(zhuǎn)換的速度取決于RL值和輸出節(jié)點的雜散電容。RL值越低，速度越快，但是功耗也會隨之增加。通過采用兩個MOS器件、一個P溝道和一個N溝道，可以組成一個只需兩個器件的CMOS/TTL接口，每種狀態(tài)下都沒有靜態(tài)功耗。

　　此外，只需改變器件的位置，就可以設(shè)置成反相或同相。但是，當(dāng)兩個器件同時打開時，開關(guān)過程中勢必會產(chǎn)生較大的浪涌電流，除非采用集成高通道電阻的MOS器件，否則就可能需要使用限流電阻來減小浪涌電流的影響。該圖和圖3中的應(yīng)用所采用的MOS器件柵源擊穿電壓VBGS在每個方向都必須大于比較器的輸出電壓。MOS器件中常見的柵源擊穿電壓值VBGS 》 ±25 V，這一數(shù)值通常綽綽有余，但是很多MOS器件內(nèi)置柵級保護(hù)二極管，會減小這一數(shù)值，所以這些器件不應(yīng)采用。

　　輸入考慮因素

　　對于用作比較器的運(yùn)算放大器，還需考慮與其輸入相關(guān)的多種影響因素。工程師對所有運(yùn)算放大器和比較器做出的第一級假設(shè)是：它們具有無窮大的輸入阻抗，并且可視為開路（電流反饋（跨導(dǎo)）運(yùn)算放大器除外，這種運(yùn)算放大器同相輸入端具有高阻抗，但反相輸入端只有幾十歐姆的低阻抗）。

　　但是很多運(yùn)算放大器（尤其是偏置補(bǔ)償型運(yùn)算放大器，如OP-07及其很多后繼產(chǎn)品）都內(nèi)置保護(hù)電路，以防止大電壓損壞輸入器件。

　　其它運(yùn)算放大器則內(nèi)置更復(fù)雜的輸入電路，在施加的差分電壓小于幾十毫伏時只具有高阻抗，或者在差分電壓大于幾十伏時可能會損壞。因此，將運(yùn)算放大器用作比較器時，如果施加大差分電壓，必須仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊，才能確定輸入電路的工作方式。（采用集成電路時，務(wù)必研究數(shù)據(jù)手冊，確保其非理想特性（每個集成電路都存在一些非理想特性）兼容推薦的應(yīng)用——本文中這點尤為重要。）圖5所示為內(nèi)置防止大差分電壓輸入二極管的運(yùn)算放大器。

　　當(dāng)然，有一些比較器應(yīng)用不存在大差分電壓，即使存在，比較器輸入阻抗相對而言也不太重要。這種情況適合將運(yùn)算放大器用作比較器，其輸入電路表現(xiàn)為非線性，但是涉及的問題必須考慮，不能忽視。

　　對BIFET運(yùn)算放大器而言，如果其輸入接近其中一個電源（通常為負(fù)電源），幾乎都會表現(xiàn)異常。其反相和同相輸入可以互換。如果運(yùn)算放大器用作比較器時發(fā)生這種情況，涉及的系統(tǒng)相位將會反轉(zhuǎn)，造成極大不便。要解決這一問題，還是必須仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊，確定合適的共模范圍。

　　而且，沒有負(fù)反饋意味著與運(yùn)算放大器電路不同，輸入阻抗不必乘以開環(huán)增益。因此，輸入電流會隨著比較器開關(guān)而變化。因此，驅(qū)動阻抗和寄生反饋對影響電路穩(wěn)定性起著重要作用。負(fù)反饋往往會使放大器保持在線性區(qū)域內(nèi)，正反饋則會使其飽和。

　　總結(jié)

　　運(yùn)算放大器設(shè)計的目的不是用作比較器，因此，在此不太建議這種做法。盡管如此，在某些應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器卻是正確的設(shè)計決策，關(guān)鍵是要慎重考慮后再做出決策，并確保所選運(yùn)算放大器能達(dá)到預(yù)期的性能。因此，必須仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊，認(rèn)真考慮非理想運(yùn)算放大器性能的影響，并計算出運(yùn)算放大器參數(shù)對應(yīng)用的影響。由于運(yùn)算放大器以非標(biāo)準(zhǔn)方式使用，可能還必須進(jìn)行某些實驗——實驗所用的放大器不一定具有典型性，因此，解讀實驗結(jié)果時不宜過于樂觀。