可以使用運(yùn)算放大器作為比較器嗎

運(yùn)算放大器和比較器基礎(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，都會(huì)發(fā)現(xiàn)大量各種放大器IC。這包括眾所周知的運(yùn)算放大器（op amp）和其他更專(zhuān)業(yè)的放大器，如儀器儀表、電流檢測(cè)、差動(dòng)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)常被歸入放大器的范疇。

雖然這些不同的放大器類(lèi)型之間存在很多功能重疊，但每種放大器都旨在在各種功能或用例中表現(xiàn)出色。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），并探討使用運(yùn)算放大器作為比較器可能存在的陷阱。

運(yùn)算放大器和比較器概述

讓我們從這兩種類(lèi)型的IC開(kāi)始。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)也是相同的——一個(gè)具有正負(fù)輸入和單輸出的三角形。但這兩種IC的實(shí)際設(shè)計(jì)和預(yù)期用途卻大不相同。

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)為負(fù)反饋，這意味著放大器的輸出連接到反相（負(fù)）輸入。該負(fù)反饋環(huán)路的構(gòu)建方式將決定放大器的工作（因此得名）。示例包括創(chuàng)建低通或高通濾波器、放大、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)域工作，簡(jiǎn)單地說(shuō)，即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。比較器中沒(méi)有負(fù)反饋和輸出級(jí)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)域

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，最好只使用比較器。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。但可能會(huì)出現(xiàn)將運(yùn)算放大器用于比較器功能很有吸引力的情況。例如，如果給定設(shè)計(jì)包含一個(gè)未使用的運(yùn)算放大器，并且需要一個(gè)比較器，那么將該運(yùn)算放大器用作比較器將節(jié)省時(shí)間、電路板面積和成本?？紤]到這一點(diǎn)，讓我們探討一下使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)可能存在的一些陷阱。

我們首先考慮運(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)，因此必須注意確保在給定的應(yīng)用中不超過(guò)運(yùn)算放大器的輸入共模范圍。與輸入級(jí)有關(guān)的另一個(gè)可能問(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，可防止反相和同相輸入之間的距離超過(guò)一個(gè)二極管壓降。這在雙極性運(yùn)算放大器和一些更高電壓的運(yùn)算放大器中更為常見(jiàn)。運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)的絕對(duì)最大額定值應(yīng)指示差分輸入范圍內(nèi)的任何限制。

在評(píng)估運(yùn)算放大器能否在應(yīng)用中作為比較器正常工作時(shí)，還有幾個(gè)關(guān)于運(yùn)算放大器輸出級(jí)的考慮因素。當(dāng)用作比較器時(shí)，從一個(gè)電源軌到另一個(gè)電源軌的輸出轉(zhuǎn)換速度將由放大器的壓擺率決定。必須注意確保所得比較器的速度對(duì)于給定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠快。還應(yīng)該注意的是，在某些情況下，這可以被認(rèn)為是一種優(yōu)勢(shì);壓擺率將限制邊沿速率，減少電磁干擾相關(guān)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)域內(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)為始終供應(yīng)或吸收電流，因此無(wú)法創(chuàng)建具有漏極開(kāi)路輸出的比較器功能。鑒于比較器本質(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），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，使用具有漏極開(kāi)路輸出的比較器是很常見(jiàn)的。

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)考慮因素是遲滯。具有遲滯的比較器利用“上限”和“下限”閾值，在該閾值中，輸入信號(hào)必須高于或低于這些各自的閾值，然后輸出才會(huì)轉(zhuǎn)換。這對(duì)于電噪聲或緩慢移動(dòng)的輸入信號(hào)很有用。大多數(shù)比較器IC提供內(nèi)置遲滯，有些甚至提供可調(diào)遲滯。將運(yùn)算放大器配置為開(kāi)環(huán)工作的比較器（意味著從輸出到輸入沒(méi)有反饋）不會(huì)產(chǎn)生遲滯。但是，通過(guò)使用正反饋（將部分輸出信號(hào)反饋回運(yùn)算放大器的同相輸入），可以為配置為比較器的運(yùn)算放大器增加遲滯。根據(jù)輸入信號(hào)的特性，這可能不是必需的，例如，如果它是不嘈雜的快速信號(hào)。

圖 3：遲滯對(duì)輸出的影響

結(jié)論

一般而言，運(yùn)算放大器無(wú)法提供與專(zhuān)用比較器IC一樣好的比較器解決方案，在某些情況下，可能根本無(wú)法正常工作。在某些情況下，利用現(xiàn)有的運(yùn)算放大器作為比較器以節(jié)省時(shí)間、成本和電路板空間很有吸引力。在這些情況下，必須注意確保運(yùn)算放大器實(shí)際上將按預(yù)期作為比較器工作。必須注意特定的運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)，并注意配置為比較器時(shí)的輸出級(jí)限制。

審核編輯：郭婷