解決比較器的主要挑戰(zhàn)：超出輸入共模范圍

輸入共模電壓范圍（通常縮寫(xiě)為 VCM 或 VICR）這一術(shù)語(yǔ)在模擬領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可，但在比較器領(lǐng)域卻難以讓人理解。對(duì)于放大器，VCM 定義為施加到兩個(gè)輸入端的平均電壓。但是對(duì)于比較器，其含義完全不同。

比較器的正常運(yùn)行意味著兩個(gè)輸入端交叉，從而導(dǎo)致輸出發(fā)生變化。我們來(lái)分析一下圖 1 所示的同相比較器配置，其瞬態(tài)行為如圖 2 所示。

圖 1：同相比較器配置

圖 2：同相比較器瞬態(tài)行為

在圖 2 中，如果同相端（橄欖綠色）電壓大于反相端（紅色）電壓，則輸出（綠色）為高電平。如果反相端電壓大于同相端電壓，則輸出為低電平。比較器的輸入 VCM 是兩個(gè)輸入電壓相互交叉的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。仍可確保正常運(yùn)行的開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓范圍稱為比較器的輸入 VCM。

表 1 顯示了 LM393 的 VCM，其范圍為負(fù)電源電壓 V– 至低于正電源電壓 V+ 1.5V 或 2V，具體取決于器件的溫度。

表1：來(lái)自 LM393 數(shù)據(jù)表“表 6.7 電氣特性”

如果在室溫下使用 3.3V 電源為該器件供電，則該器件的輸入 VCM 介于接地和 1.8V 之間。如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)移至高于 1.8V，則器件可能無(wú)法正常工作。如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓超出 VCM 的范圍，則可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不正常。

什么限制了輸入 VCM？

比較器的輸入級(jí)限制了輸入 VCM。讓我們首先看一下 TL331 數(shù)據(jù)表中的功能方框圖（圖 3）。輸入級(jí)包含一個(gè) P 溝道、N 溝道、P 溝道 (PNP) 差分對(duì)，其發(fā)射極連接到一個(gè)電流源。為了使差分對(duì)上的 PNP 晶體管導(dǎo)通，發(fā)射極到基極需要存在電壓降 (VEB)（對(duì)于 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置，為基極到發(fā)射極壓降 [VBE]）。

圖 3：TL331 功能方框圖

電流源通常是電流鏡，如圖 4 所示。要使電流源工作，Q2 的發(fā)射極至集電極電壓需要超過(guò)最小正向有效電壓要求 (VEC (Sat))。

圖 4：PNP 電流鏡

隨著比較器輸入電壓的增加，可滿足差分對(duì)晶體管的 VEB 導(dǎo)通和電流鏡晶體管的 VEC (Sat) 的余量越來(lái)越小。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，VEC 開(kāi)始減小，而 VEB 仍然保持穩(wěn)定。當(dāng) VEC (Sat) 不超過(guò) Q2 時(shí)，電流鏡的電流產(chǎn)生能力顯著降低，因此一些比較器的 VCM 會(huì)上升到低于電源電壓的值。其他具有 NPN 晶體管輸入級(jí)的器件指定的 VCM 范圍為某個(gè)值至正電源電壓。

為何即使在超過(guò)數(shù)據(jù)表上輸入 VCM 的情況下設(shè)計(jì)也能有效

數(shù)據(jù)表中的 VCM 值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能?；仡檲D 4 中的 TL331 示例，可知 VBE 和 VCE 隨溫度波動(dòng)。

圖 5、6 和 7 顯示了 LM393 在與圖 1 類似的同相配置下的性能。在這種情況下，電源電壓設(shè)置為 5V。100Hz、1 Vpp、3.9 VDC 斜坡波形（黃色）連接到同相端，同時(shí)將 3.9 VDC 基準(zhǔn)信號(hào)（紫色）施加到反相端。這是一個(gè)應(yīng)用示例，其中 3.9V 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)超出了 VCM 的范圍；對(duì)于該電源，兼容的 VCM 為 3V 或更低。

在室溫下，比較器在超過(guò) 3.9V 時(shí)工作并切換，如圖 5 所示。比較器在溫度升高時(shí)也能工作，如圖 6 所示。當(dāng)冷卻器件時(shí)，它開(kāi)始出現(xiàn)故障，如圖 7 中的輸出（綠色）所示。

圖 5：LM393 在 VCM 范圍之外的室溫性能

圖 6：LM393 在 VCM 范圍之外的高溫性能

圖 7：LM393 在 VCM 范圍之外的低溫性能

當(dāng)降低輸入電壓以確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)處于器件的 VCM 范圍之內(nèi)時(shí)，該器件在所有溫度范圍內(nèi)都能正常工作。斜坡波形現(xiàn)在處于 2V 的較低直流失調(diào)電壓（以 2V 為基準(zhǔn)），確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)處于 VCM 范圍之內(nèi)。圖 8、9 和 10 顯示了 LM393 如何在整個(gè)溫度范圍內(nèi)正常工作。

圖 8：LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的室溫性能

圖 9：LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的高溫性能

圖 10：LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的低溫性能

可通過(guò)單個(gè)單元獲取所有這些示波器捕獲。如果要測(cè)試另一個(gè) LM393 樣片，則指定 VCM 范圍之外的性能可能會(huì)有所不同。在室溫下，VCM 上限可能與所測(cè)試的單元不同。這稱為工藝偏差，其中性能可能會(huì)因批次差異或不一致的制造工序而有所變化。

該偏差的最后一個(gè)部分是電壓偏差。在不同的電源電壓下，器件的行為可能會(huì)有所不同。在圖 6、7 和 8 的設(shè)置中，如果電源電壓增加到允許的 36V 上限，且發(fā)生同樣的超出 VCM 范圍的情況，則性能可能會(huì)有所不同。在使用比較器設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須使輸入處于 VCM 范圍之內(nèi)，以避免這些問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)任一輸入超出范圍時(shí)，輸入 VCM 可能會(huì)導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。超出該范圍會(huì)導(dǎo)致比較器輸入級(jí)的偏置出現(xiàn)問(wèn)題。請(qǐng)謹(jǐn)記，如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓處于數(shù)據(jù)表規(guī)格之外，則超出了 VCM 的范圍。即使系統(tǒng)在超出 VCM 范圍的情況下能夠正常工作，它也可能在不同的電源電壓、工作溫度下或更換集成電路時(shí)無(wú)法正常工作。在創(chuàng)建使用比較器的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使每個(gè)輸入信號(hào)處于輸入 VCM 的數(shù)據(jù)表規(guī)格范圍之內(nèi)，以維持 PVT 的功能。