將運(yùn)算放大器用作比較器的設(shè)計(jì)方案

常見的運(yùn)算放大器電路，運(yùn)算放大器進(jìn)行集成，而實(shí)用的運(yùn)算放大器微分器則用途廣泛，我們研究了一些經(jīng)典的運(yùn)算放大器電路。這些電路使用負(fù)反饋，通?？墒惯\(yùn)算放大器在線性區(qū)域內(nèi)工作。

但是，運(yùn)算放大器也可以用作比較器，這會(huì)使它們非線性工作。輸入被硬驅(qū)動(dòng)，輸出電壓猛烈地?fù)粝?a target="_blank">電源軌。正如我們將看到的那樣，這可能并不總是一種好的設(shè)計(jì)方法。

走向非線性

在線性應(yīng)用中，理想的運(yùn)算放大器假設(shè)適用：無限的增益和帶寬，零輸出阻抗，無限的輸入阻抗以及輸入之間的零伏。運(yùn)放還可以以非線性方式使用，并且需要特別注意和處理。

一種常見的配置是僅使用運(yùn)算放大器開環(huán)（無反饋），并使其高增益產(chǎn)生比較器操作。沒有負(fù)反饋，兩個(gè)輸入將不一定保持相同的電壓，因此第四個(gè)理想運(yùn)算放大器假設(shè)無效。

圖1顯示了開環(huán)配置的運(yùn)算放大器。當(dāng)VIN大于零時(shí)，輸??出電壓升高，并被限制在正電源電壓附近。當(dāng)輸入電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，運(yùn)算放大器輸出將擺動(dòng)為負(fù)值，再次限制在負(fù)電源電壓附近。在這里，我們假設(shè)運(yùn)算放大器由常規(guī)的正負(fù)電源電壓供電。

圖1運(yùn)算放大器用作零閾值電壓的比較器。

上面的比較器電路在零伏附近工作。圖2在電路中增加了一個(gè)電阻分壓器，以設(shè)置反相輸入端的電壓，從而提供了一種控制比較器參考電壓VREF的方法。

圖2帶有電阻分壓器的運(yùn)算放大器比較器可設(shè)置閾值電壓。

圖3顯示了另一種常見的設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)會(huì)向比較器添加遲滯。在這種情況下，輸入電壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的反相輸入，而VREF連接至同相輸入。R1R2電阻分壓器從輸出VOUT產(chǎn)生VREF。當(dāng)VIN降至VREF以下時(shí)，輸出電壓升高，導(dǎo)致VREF移至更高的電壓。

圖3運(yùn)算放大器比較器電路通過正反饋來增加磁滯。

同樣，當(dāng)VIN轉(zhuǎn)換為高于VREF時(shí)，VOUT變?yōu)樽畲筘?fù)輸出電壓，從而將VREF拉低。這種滯后效應(yīng)可防止輸入信號(hào)上存在的任何噪聲在轉(zhuǎn)換通過VREF時(shí)不會(huì)使比較器工作反向。

圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1 R2磁滯電路以及RC定時(shí)電路來產(chǎn)生方波輸出。實(shí)際上，它不是比較器電路。取而代之的是，它將運(yùn)算放大器用作比較器以創(chuàng)建所需的輸出波形。假設(shè)VOUT以高電壓開始，因此它通過R3為C充電。電容器電壓將增加，同時(shí)與時(shí)間常數(shù)R3 C保持一致。

圖4多諧振蕩器電路添加了RC定時(shí)電路以產(chǎn)生方波輸出。

當(dāng)電容器電壓大于VREF時(shí)，輸出電壓將擺動(dòng)至負(fù)電源電壓。這導(dǎo)致電容器電壓被驅(qū)動(dòng)為負(fù)，再次與時(shí)間常數(shù)R3 C一致。R1 R2分壓器在同相輸入上提供了一些滯后，從而使運(yùn)放平穩(wěn)過渡。有關(guān)組件值如何確定多諧振蕩器頻率的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)4。

但是有問題

網(wǎng)上有很多關(guān)于這類非線性運(yùn)算放大器電路的文章。但是，當(dāng)我檢查IC供應(yīng)商的網(wǎng)站時(shí)，我注意到他們強(qiáng)烈警告不要將運(yùn)算放大器用作比較器[參考1和參考2]。引用的主要問題是：

某些運(yùn)算放大器的輸入上具有鉗位二極管，它們限制了兩個(gè)輸入之間的最大電壓。這可以通過精心設(shè)計(jì)或選擇其他運(yùn)算放大器來解決。

比較器應(yīng)用程序?qū)⑦\(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。從飽和狀態(tài)恢復(fù)可能很慢，通常不指定。

大多數(shù)運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負(fù)電源電壓?？赡軙?huì)指定也可能不會(huì)指定，并且可能無法很好地控制。

與為該特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的“真實(shí)比較器”相比，運(yùn)算放大器的開關(guān)時(shí)間趨于變慢。

通常不將運(yùn)算放大器的輸出設(shè)置為驅(qū)動(dòng)數(shù)字邏輯，因此可能需要其他電路來對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)一個(gè)運(yùn)放中有一個(gè)剩余放大器時(shí)，使用運(yùn)放作為比較器的主要論據(jù)就出現(xiàn)了。畢竟，它只是免費(fèi)坐在那里，等待使用。如果您決定采用這種方法，則需要對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行仔細(xì)研究，并評(píng)估實(shí)際電路性能。確保運(yùn)算放大器電路具有相當(dāng)大的內(nèi)置余量。

非線性運(yùn)算放大器操作的這些考慮因素也可能有助于我們理解線性應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一些問題。運(yùn)算放大器的輸出被驅(qū)動(dòng)到電源軌時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？如果是這樣，恢復(fù)需要多長(zhǎng)時(shí)間？這對(duì)電路的性能有影響嗎？

這就是為什么IC供應(yīng)商建議您使用真實(shí)的比較器而不是運(yùn)算放大器的原因。畢竟，將比較器設(shè)計(jì)為比較器。它具有指定的開關(guān)特性和輸出驅(qū)動(dòng)器，通常設(shè)置為驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)備。有許多經(jīng)濟(jì)的設(shè)備可供選擇。

鮑勃·威特（Bob Witte）是技術(shù)咨詢公司Signal Blue LLC的總裁。

參考

“運(yùn)算放大器用作比較器-可以嗎？” Bruce Trump，德州儀器（TI），2012年3月

“使用運(yùn)算放大器作為比較器，”詹姆斯·布萊恩特（James Bryant），ADI，應(yīng)用筆記AN-849，2011年

“我應(yīng)該使用運(yùn)算放大器作為比較器嗎？” Janet Heath，《模擬IC技巧》，2016年11月

“運(yùn)算放大器多諧振蕩器”電子教程

運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)，布魯斯·卡特（Bruce Carter）和托馬斯·布朗（Thomas R.Brown），德州儀器（TI），2016年9月

面向所有人的運(yùn)算放大器，羅恩·曼奇尼（Ron Mancini），編輯，2002年8月

編輯：hfy