應(yīng)用工程師問(wèn)：放大器作為比較器？

Q.什么是比較器？它與運(yùn)算放大器有何不同？

A.高增益比較器的基本功能是確定輸入電壓是高于還是低于基準(zhǔn)電壓，并將該決定表示為由輸出限值確定的兩個(gè)電壓電平之一。比較器有多種用途，包括：極性識(shí)別、1位模數(shù)轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)、方波/三角波生成和脈沖邊沿生成。

原則上，任何高增益放大器都可用于執(zhí)行這一簡(jiǎn)單決定。但“魔鬼在細(xì)節(jié)中”。因此，設(shè)計(jì)為運(yùn)算放大器的器件和設(shè)計(jì)為比較器的器件之間存在一些基本差異。例如，為了與數(shù)字電路一起使用，許多比較器具有鎖存輸出，并且所有比較器都設(shè)計(jì)為具有與數(shù)字電壓電平規(guī)格兼容的輸出電平。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，還有一些重要的差異 - 它們將在這里討論。

Q.在哪些情況下，人們可以走任何一條路？

A.在需要低失調(diào)和漂移以及低偏置電流和低成本的應(yīng)用中，應(yīng)考慮將放大器用作比較器。另一方面，在許多設(shè)計(jì)中，放大器不能被視為比較器，因?yàn)樗鼜妮敵鲲柡突謴?fù)時(shí)間長(zhǎng)，傳播延遲長(zhǎng)，并且不方便使其輸出與數(shù)字邏輯兼容。此外，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也是一個(gè)問(wèn)題。

然而，使用放大器作為比較器具有成本和性能優(yōu)勢(shì)——如果清楚地了解它們的異同，并且應(yīng)用可以容忍放大器的速度通常較慢。沒(méi)有人可以聲稱放大器在所有情況下都可以作為比較器的直接替代品，但對(duì)于需要高精度比較的低速情況，一些新型放大器的性能無(wú)法與具有更大噪聲和失調(diào)的比較器的性能相提并論。在一些輸入緩慢變化的應(yīng)用中，噪聲會(huì)導(dǎo)致比較器輸出來(lái)回快速擺動(dòng)（參見(jiàn)“用遲滯解決比較器不穩(wěn)定性”，《模擬對(duì)話》，第34卷，2000年）。此外，在使用雙通道運(yùn)算放大器代替運(yùn)算放大器和比較器的應(yīng)用中，或者在四通道封裝中的四個(gè)放大器中的三個(gè)已經(jīng)承諾，并且必須比較兩個(gè)直流或緩慢變化的信號(hào)的設(shè)計(jì)中，可以節(jié)省成本或有價(jià)值的印刷電路板（PCB）面積。

Q.第四個(gè)放大器可以用作比較器嗎？

A.這是當(dāng)今許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都在問(wèn)我們的問(wèn)題。購(gòu)買一個(gè)四通道運(yùn)算放大器，只使用三個(gè)通道，然后購(gòu)買一個(gè)單獨(dú)的比較器是沒(méi)有意義的——如果該放大器確實(shí)可以簡(jiǎn)單地用于比較功能的話。但要明確的是，放大器不能在所有情況下都可互換用作比較器。例如，如果應(yīng)用要求在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)比較信號(hào)，則添加比較器可能是唯一的方法。但是，如果您了解放大器和比較器之間的內(nèi)部架構(gòu)差異，以及這些差異如何影響這些IC在應(yīng)用中的性能，則可能能夠獲得使用單個(gè)芯片的固有效率。

在這些頁(yè)面中，我們將介紹IC放大器技術(shù)的兩個(gè)分支之間的參數(shù)差異，并提供使用放大器作為比較器的有用提示。

Q.那么放大器和比較器有何不同呢？

A.總體而言，運(yùn)算放大器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可為精密閉環(huán)（反饋）電路中指定的線性輸出值范圍提供精度和穩(wěn)定性（直流和動(dòng)態(tài)）。然而，當(dāng)開(kāi)環(huán)放大器用作比較器時(shí)，其輸出在其限值之間擺動(dòng)，其內(nèi)部補(bǔ)償電容（用于提供動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性）會(huì)導(dǎo)致輸出緩慢地從飽和狀態(tài)出來(lái)并在其輸出范圍內(nèi)擺動(dòng)。另一方面，比較器通常設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)工作，輸出在指定的電壓上限和下限之間擺擺，以響應(yīng)兩個(gè)輸入之間的凈差信號(hào)。由于它們不需要運(yùn)算放大器的補(bǔ)償電容，因此速度非?？臁?/p>

如果比較器的輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓加失調(diào)的正電壓—V這（零基準(zhǔn)電壓源，它只是偏移）加上所需的過(guò)驅(qū)（由于增益和輸出非線性有限），輸出端出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)于邏輯“1”的電壓。當(dāng)輸入小于V時(shí)，輸出將處于邏輯“0”這和所需的過(guò)載。實(shí)際上，比較器可以被認(rèn)為是一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

指定比較器和放大器有不同的方法。例如，在放大器中，失調(diào)電壓是必須施加到輸入端的電壓，以將輸出驅(qū)動(dòng)到對(duì)應(yīng)于理想零輸入的指定中間值。在比較器中，此定義被修改為輸出端1至0之間的指定電壓范圍內(nèi)居中。在具有TTL兼容輸出的比較器中，比較器的“低”輸出值（邏輯0）的額定值小于0.4 V最大值，而對(duì)于低壓放大器，低輸出值非常接近其負(fù)電源軌（例如，單電源系統(tǒng)中為0 V）。圖1比較了典型放大器和比較器型號(hào)的低輸出值，每個(gè)型號(hào)均施加–1 mV差分輸入。

圖1.單電源放大器（63 pV）和比較器（280 mV）型號(hào)對(duì)–1 mV輸入電壓差的響應(yīng)。

比較器旨在盡快比較兩個(gè)電平，沒(méi)有運(yùn)算放大器中常見(jiàn)的內(nèi)部補(bǔ)償電容（“Miller”電容），其輸出電路能夠比運(yùn)算放大器更靈活地激勵(lì)。由于沒(méi)有補(bǔ)償電路，比較器提供了非常寬的帶寬。在輸出端，普通運(yùn)算放大器使用推挽式輸出電路，在指定的電源電壓之間實(shí)現(xiàn)基本對(duì)稱的擺幅，而比較器通常具有帶接地發(fā)射極的“集電極開(kāi)路”輸出。這意味著比較器的輸出可以通過(guò)低值集電極負(fù)載電阻（“上拉”電阻）返回到與主正電源不同的電壓。該特性允許比較器與各種邏輯系列接口。使用較低的上拉電阻值可提高開(kāi)關(guān)速度和抗擾度，但代價(jià)是功耗增加。

由于比較器很少配置負(fù)反饋，因此其（差分）輸入阻抗不會(huì)像運(yùn)算放大器電路那樣乘以環(huán)路增益。因此，當(dāng)比較器切換時(shí)，輸入信號(hào)會(huì)看到負(fù)載變化和（?。┹斎腚娏鞯淖兓?。因此，在某些條件下，必須考慮驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗。雖然負(fù)反饋使放大器保持在其線性輸出區(qū)域內(nèi)，因此大多數(shù)內(nèi)部工作點(diǎn)的變化很小，但正反饋通常用于迫使比較器進(jìn)入飽和狀態(tài)（并提供遲滯以降低噪聲靈敏度）。比較器的輸入通常適應(yīng)較大的信號(hào)擺幅，而由于接口要求，其輸出范圍有限，因此比較器內(nèi)部需要大量快速電平轉(zhuǎn)換。

放大器和比較器之間的上述差異都是有原因的，其主要目標(biāo)是盡快比較快速變化的信號(hào)。但是，為了比較低速信號(hào)（特別是在需要亞mV分辨率的情況下），ADI公司的一些新型軌到軌放大器可能比比較器更好。

問(wèn)：好的。我可以看到總體上存在差異。對(duì)于想要使用運(yùn)算放大器代替比較器的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，他們看起來(lái)如何？

A.以下是六個(gè)要點(diǎn)：

1. 考慮 V這和我B非線性與輸入共模電壓的關(guān)系

使用電壓比較器時(shí)，通常的做法是將一個(gè)輸入端子接地并使用單端輸入。主要原因是輸入級(jí)的共模抑制能力差。相比之下，許多放大器具有非常高的共模抑制，并且能夠在存在大共模信號(hào)的情況下檢測(cè)微伏級(jí)差異。圖2顯示了AD8605運(yùn)算放大器采用100 V共模電壓時(shí)對(duì)3 mV差分階躍的響應(yīng)。

圖2.開(kāi)環(huán)AD8605在100 V共模電壓下對(duì)3 mV差分階躍的響應(yīng)。請(qǐng)注意 0V 和 5V 電源軌之間的基本線性擺動(dòng)，以及干凈的飽和度。

但是，對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)軌到軌輸入放大器，輸入失調(diào)電壓（V這)和輸入偏置電流（IB)在輸入共模電壓范圍內(nèi)呈非線性。使用這些放大器時(shí)，用戶需要在設(shè)計(jì)中考慮這種變化。如果將閾值設(shè)置為零共模，但器件用于其他共模電平，則產(chǎn)生的邏輯電平可能與預(yù)期不符。例如，當(dāng)比較該范圍內(nèi)某些電平的2 mV差時(shí)，器件在零共模時(shí)失調(diào)為5 mV，在整個(gè)共模范圍內(nèi)失調(diào)為6至3 mV，可能會(huì)給出錯(cuò)誤的輸出。

2. 注意輸入保護(hù)二極管

許多放大器的輸入端都有保護(hù)電路。當(dāng)兩個(gè)輸入的差分電壓大于標(biāo)稱二極管壓降（例如0.7 V）時(shí)，保護(hù)二極管開(kāi)始導(dǎo)通，輸入擊穿。因此，查看放大器的輸入結(jié)構(gòu)并確保其能夠適應(yīng)預(yù)期的輸入信號(hào)范圍至關(guān)重要。有些放大器，如OP777 / OP727 / OP747，沒(méi)有保護(hù)二極管; 其輸入可適應(yīng)高達(dá)電源電壓電平的差分信號(hào)。圖3顯示了OP777輸入端對(duì)大差分信號(hào)的響應(yīng)。在這種情況下，許多放大器的輸入會(huì)發(fā)生故障，而OP777的響應(yīng)正確。CMOS輸入放大器的輸入端沒(méi)有保護(hù)二極管，其輸入差分電壓可以擺幅為軌到軌。但請(qǐng)記住，在某些情況下，在輸入端施加較大的差分信號(hào)會(huì)導(dǎo)致放大器參數(shù)發(fā)生顯著變化。

圖3.OP777放大器對(duì)±2 V、1 kHz信號(hào)的響應(yīng)，偏置+2V，與+0.5 V直流電平進(jìn)行比較。請(qǐng)注意，此大擺幅沒(méi)有相位反轉(zhuǎn)。但是，在距負(fù)供電軌+0.5 V的共模電平下，增益相當(dāng)?shù)?，從所需的大約0.3 V過(guò)驅(qū)可以看出。

3. 注意輸入電壓范圍規(guī)格和反相趨勢(shì)：

與通常輸入電壓在同一電平下工作的運(yùn)算放大器不同，比較器通常會(huì)在其輸入端看到較大的差分電壓擺幅。但一些沒(méi)有軌到軌輸入的比較器被規(guī)定具有有限的共模輸入電壓范圍。如果輸入超過(guò)器件的指定共模范圍（即使在指定的信號(hào)范圍內(nèi)），比較器可能會(huì)錯(cuò)誤響應(yīng)。對(duì)于一些采用結(jié)型FET（JFET）和雙極性技術(shù)設(shè)計(jì)的舊型放大器，情況也可能如此。當(dāng)輸入共模電壓超過(guò)一定限值（IVR）時(shí)，輸出將經(jīng)歷相位反轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象可能是有害的。因此，選擇過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)反相的放大器絕對(duì)至關(guān)重要。這是使用具有軌到軌輸入的放大器可以克服的一類問(wèn)題。

4. 考慮飽和度恢復(fù)

典型的運(yùn)算放大器不是設(shè)計(jì)用作快速比較器，因此當(dāng)放大器輸出被驅(qū)動(dòng)到一個(gè)極端時(shí)，各個(gè)增益級(jí)將進(jìn)入飽和狀態(tài)，為補(bǔ)償電容和寄生電容充電。放大器和比較器之間的設(shè)計(jì)區(qū)別在于比較器中增加了箝位電路以防止內(nèi)部飽和。當(dāng)放大器被推入飽和狀態(tài)時(shí)，它需要一段時(shí)間才能恢復(fù)，然后擺動(dòng)到新的最終輸出值，具體取決于輸出結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償電路。由于從飽和狀態(tài)需要時(shí)間，放大器用作比較器時(shí)比在閉環(huán)配置中受控使用時(shí)慢。可以在許多放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到飽和恢復(fù)信息。圖4顯示了兩個(gè)常用放大器（AD8061和AD8605）的飽和恢復(fù)曲線。這些放大器的輸出結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)推挽軌到軌共發(fā)射極。

圖4.在閉環(huán)配置中恢復(fù)兩個(gè)常用放大器。

5. 影響過(guò)渡時(shí)間的因素

速度是放大器和比較器系列之間的區(qū)別之一。傳播延遲是比較器在其輸入端比較兩個(gè)信號(hào)以及其輸出達(dá)到兩個(gè)輸出邏輯電平之間的中點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。傳播延遲通常由過(guò)驅(qū)指定，過(guò)驅(qū)是施加的輸入電壓與給定時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)所需的基準(zhǔn)電壓之間的電壓差。在下圖中，將幾種軌到軌CMOS放大器的響應(yīng)與常用比較器進(jìn)行比較。所有放大器的配置如圖5（a-e）所示，施加電壓，在在， = ±0.2 V，以 0 V 為中心。對(duì)于比較器，使用10 kΩ上拉電阻代替地負(fù)載。放大器速度差異很大，但由于飽和和較低的壓擺率，它們都比比較器慢得多。

圖 5a. 放大器電路。

圖 5b. 正步長(zhǎng)。

圖 5c. 負(fù)步長(zhǎng)。

圖 5d. 正步長(zhǎng)。

圖 5e. 負(fù)步長(zhǎng)。

圖5.比較器和三個(gè)開(kāi)環(huán)放大器型號(hào)的響應(yīng)比較，±0.2 V驅(qū)動(dòng)。一個(gè)。放大電路配置。b. 積極的步驟。c. 負(fù)步。然后，施加50 mV信號(hào)和20 mV過(guò)驅(qū)。周期 = 10 μs。d. 積極的步驟。e. 負(fù)階梯。

雖然大多數(shù)比較器的額定過(guò)驅(qū)為2 mV至5 mV，但大多數(shù)高精度、低輸入失調(diào)放大器可以在低至0.05 mV的過(guò)驅(qū)下可靠工作。施加在輸入端的過(guò)驅(qū)量對(duì)傳播延遲有顯著影響。圖6顯示了AD8605對(duì)多個(gè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓值的響應(yīng)。

圖6.AD8605作為比較器對(duì)過(guò)驅(qū)為1、10和100 mV的步進(jìn)輸入的響應(yīng)。

由于放大器被允許消耗更多的功率，它們的速度會(huì)大大提高，因此它們可以在上升和下降時(shí)間方面與比較器競(jìng)爭(zhēng)。圖7包括一個(gè)示例——對(duì)于壓擺率為8061 V/μs的AD300，在響應(yīng)正弦過(guò)零輸入的開(kāi)環(huán)配置中，輸出恢復(fù)時(shí)間為19 ns。然而，使用放大器作為比較器的最大缺點(diǎn)之一通常是其功耗，因?yàn)橥ǔ？梢哉业较妮^少電源電流（我他），但仍然運(yùn)行良好。當(dāng)然，對(duì)于使用線路電源的儀器，功耗通常不是很大的驅(qū)動(dòng)因素。此外，許多放大器都有一個(gè)關(guān)斷引腳，這是比較器中很少提供的功能;它可以用來(lái)節(jié)省電力。

圖7.AD8061作為過(guò)零比較器的響應(yīng)

在圖8中，AD8061的階躍響應(yīng)與常用的LM139以及另外兩個(gè)開(kāi)環(huán)放大器的階躍響應(yīng)進(jìn)行了比較，它們采用與圖6相同的電路配置連接。可以看出，AD8061的響應(yīng)速度在300 ns內(nèi)，比LM139更快。這是以更高的電流消耗為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。

圖8.三個(gè)放大器和一個(gè)常用比較器的階躍響應(yīng)。請(qǐng)注意AD8061的響應(yīng)速度特別快。

6. 考慮與不同邏輯族接口的方式

當(dāng)今許多軌到軌輸出放大器采用5 V至15 V單電源供電，可輕松提供TTL或CMOS兼容輸出，無(wú)需額外的接口電路。如果邏輯電路和運(yùn)算放大器共用同一電源，則軌到軌運(yùn)算放大器將相當(dāng)成功地驅(qū)動(dòng)CMOS和TTL邏輯系列，但如果運(yùn)算放大器和邏輯電路需要不同的電源電平，則需要額外的接口電路。例如，考慮一個(gè)采用±5 V電源的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器必須采用+5 V電源驅(qū)動(dòng)邏輯：由于如果對(duì)其施加–5 V電壓，邏輯容易損壞，因此必須特別注意接口電路的設(shè)計(jì)。

圖9所示為與邏輯電路接口的OP1177（雙電源放大器），圖10所示為其對(duì)100 mV過(guò)驅(qū)的響應(yīng)。與 ±±5V 工作電壓相比，采用 15V 電源時(shí)，靜態(tài)功耗更低，并且由于輸出級(jí)耗散引起的熱反饋降至最低。較低的電源電壓還降低了OP1177的上升和下降時(shí)間，因?yàn)檩敵鲈跍p小的電壓范圍內(nèi)擺動(dòng)，從而縮短了輸出響應(yīng)時(shí)間。

如果OP1177輸出端沒(méi)有保護(hù)電路，輸出擺幅將降至+VCC2和 –V德斯;這些電平可能對(duì)下游邏輯電路有害。添加Q2和D2可防止輸出變?yōu)樨?fù)值，并將限制轉(zhuǎn)換為TTL兼容的輸出電平。D2箝位輸出，使其不會(huì)低于0.7 V，從波形V（D2，2）可以看出。V 的值抄送可以選擇Q2（本分析選擇5 V），從而產(chǎn)生正確的邏輯電平，如波形V所示外.

圖9.OP1177連接用于比較器工作，帶有用于TTL輸出的轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路。

圖 10.OP1177比較器電路的響應(yīng)波形

為了節(jié)省功耗，可以使用N溝道MOSFET代替圖9所示的NPN晶體管。

Q.所以底線是...

A.放大器可用作比較器，在低頻下具有出色的精度。事實(shí)上，為了比較具有微伏級(jí)分辨率的信號(hào)，精密放大器是唯一實(shí)用的選擇。當(dāng)使用自由放大器通道來(lái)滿足比較器要求時(shí)，它們也可以成為多通道運(yùn)算放大器用戶的經(jīng)濟(jì)選擇。精明的設(shè)計(jì)人員可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)節(jié)省資金，如果他們不厭其煩地：了解放大器和比較器之間的異同;閱讀放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解正確的特性;了解恢復(fù)時(shí)間、速度和功耗的權(quán)衡;并愿意使用配置為比較器的放大器來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷