比較器的合理選擇

長(zhǎng)期以來，受運(yùn)算放大器的影響，比較器的應(yīng)用一直沒有得到應(yīng)有的重視。直到目前隨著比較器性能指標(biāo)的改進(jìn)，使其更好地勝任電壓比較這一基本任務(wù)，這一狀況才得到改善，本文主要介紹新型比較器的性能及其典型應(yīng)用。

比較器的功能

比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。從這一角度來看，也可以將比較器當(dāng)作一個(gè)1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)。

比較器與運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋時(shí)，從原理上講可以用作比較器，但由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號(hào)。而且，在這種情況下，運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間比比較器慢許多，而且也缺少一些特殊功能，如：滯回、內(nèi)部基準(zhǔn)等。

比較器通常不能用作比較器，比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時(shí)間延遲，但其頻響特性受到一定限制，運(yùn)算放大器正是利用了頻響修正這一優(yōu)勢(shì)而成為靈活多用的器件。另外，許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路，這避免了輸出振蕩，但同時(shí)也使其不能當(dāng)作運(yùn)算放大器使用。

電源電壓

比較器與運(yùn)算放大器工作在同樣的電源電壓，傳統(tǒng)的比較器需要±15v等雙電源供電或高達(dá)36v的單電源供電，這些產(chǎn)品在工業(yè)控制中仍有需求，許多廠商也仍在提供該類產(chǎn)品。

但是，從市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)看，目前大多數(shù)應(yīng)用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內(nèi)，而且，比較器必須具有低電流、小封裝，有些應(yīng)用中還要求比較器具有關(guān)斷功能。例如：max919比較器可工作在1.8v至5.5v電壓范圍內(nèi)，全溫范圍內(nèi)的最大吸入電流僅為1.2μa，采用sot23封裝，類似的max965比較器工作電壓可低至1.6v，因而非常適用于電池供電的便攜式產(chǎn)品。

比較器的性能指標(biāo)

比較器兩個(gè)輸入端之間的電壓在過零時(shí)輸出狀態(tài)將發(fā)生改變，由于輸入端常常疊加有很小的波動(dòng)電壓，這些波動(dòng)所產(chǎn)生的差模電壓會(huì)導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化。為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mv的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)：一個(gè)用于檢測(cè)上升電壓，一個(gè)用于檢測(cè)下降電壓(圖1)。高電壓門限(vtrip+)與低電壓門限(vtrip-)之差等于滯回電壓(vhyst)，滯回比較器的失調(diào)電壓(vos)是vtrip+和vtrip-的平均值。

不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點(diǎn)是輸入失調(diào)電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調(diào)電壓一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比(psrr)衡量這一影響，它表示標(biāo)稱電壓的變化對(duì)失調(diào)電壓的影響。

理想的比較器的輸入阻抗為無窮大，因此，理論上對(duì)輸入信號(hào)不產(chǎn)生影響，而實(shí)際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大，輸入端有電流經(jīng)過信號(hào)源內(nèi)阻并流入比較器內(nèi)部，從而產(chǎn)生額外的壓差。偏置電流(ibias)定義為兩個(gè)比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。例如，max917系列比較器的最大偏置電流僅為2na。

隨著低電壓應(yīng)用的普及，為進(jìn)一步優(yōu)化比較器的工作電壓范圍，maxim公司利用npn管與pnp管相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)作為比較器的輸入級(jí)，從而使比較器的輸入電壓得以擴(kuò)展，可以比電源電壓高出250mv，因而達(dá)到了所謂的超電源擺幅標(biāo)準(zhǔn)。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。

比較器輸出

由于比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，零電平或電源電壓，具有滿電源擺幅特性的比較器輸出級(jí)為射極跟隨器，這使得其輸出信號(hào)與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。cmos滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的mosffet，與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。 輸出延遲時(shí)間是選擇比較器的關(guān)鍵參數(shù)，延遲時(shí)間包括信號(hào)通過元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，對(duì)于高速比較器，如max961，其延遲時(shí)間的典型值達(dá)到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns (注意：傳輸延時(shí)的測(cè)量包含了上升時(shí)間)。設(shè)計(jì)時(shí)需注意不同因素對(duì)延遲時(shí)間的影響(圖2)，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過驅(qū)動(dòng)等因素。對(duì)于反相輸入，傳輸延時(shí)用tpd-表示；對(duì)于同相輸入，傳輸延時(shí)用tpd+表示。tpd+與tpd-之差稱為偏差。電源電壓對(duì)傳輸延時(shí)也有較大影響。

有些應(yīng)用需要權(quán)衡比較器的速度與功耗，maxim公司針對(duì)這一問題提供了多種芯片類型供選擇，其中包括從耗電800na、延遲時(shí)間為30μs的max919到耗電6μa、延遲時(shí)間為540ns的max9075；耗電600μa、延遲時(shí)間為20ns的max998到耗電11ma、延遲時(shí)間為4.5ns的max961；最近推出的max9010 (sc70封裝)，其延遲時(shí)間低至5ns電源電流只有900μa，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。

實(shí)際比較器

比較器通常用于比較一路輸入電壓和一路固定的電壓基準(zhǔn)，為滿足這種應(yīng)用需求，maxim將基準(zhǔn)源與比較器集成在同一芯片內(nèi)，這樣不僅節(jié)省空間而且比外部基準(zhǔn)耗電少，如，max918在全溫范圍內(nèi)的最大消耗電流只有1.6μa (包括內(nèi)部其準(zhǔn)源)。考慮環(huán)境溫度的變化和基準(zhǔn)源的類型，集成基準(zhǔn)源的精度一般在1%至4%。對(duì)于精度要求較高的應(yīng)用，可以考慮選用max9040系列產(chǎn)品，其內(nèi)置基準(zhǔn)源的初始精度可以達(dá)到0.4%、最大溫度漂移為30ppm/°c。

雙比較器max923與max933和漏極開路輸出的max973、max983非常適和窗比較器應(yīng)用，內(nèi)部基準(zhǔn)可以連接到這些比較器的同相輸入端或反相輸入端，利用三個(gè)外部電阻即可設(shè)置過壓、欠壓門限(圖1所示)。另外，這些芯片還含有滯回輸入引腳，該引腳外接兩個(gè)分壓電阻設(shè)置滯回電壓門限。為便于使用，有些比較器(列如max912/max913)還提供互補(bǔ)輸出，即對(duì)應(yīng)于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。

典型應(yīng)用

圖2為一電平轉(zhuǎn)換器，可完成3v邏輯至5v邏輯的變換。如圖3所示，漏極開路輸出比較器，如max986，提供了一個(gè)極為簡(jiǎn)捷的實(shí)現(xiàn)方案，同樣，如果比較器供電電壓允許(如max972)，也可實(shí)現(xiàn)±5v雙極性邏輯至+3v單極性邏輯的電平轉(zhuǎn)換。具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意輸入信號(hào)不要超出電源電壓的擺幅，流入輸出端的電流由大阻值的上拉電阻限制(參考ic的絕對(duì)最大額定參數(shù))。

圖4電路解決了另一常見問題，該電路可將雙極性輸入(這里為正弦波)轉(zhuǎn)換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為：

兩個(gè)阻值相同的電阻(r4)將比較器切換檢測(cè)門限設(shè)置在電源電壓的一半。圖5所示是利用四個(gè)比較器構(gòu)成一個(gè)電流檢測(cè)電路，可用于指示輸入電流的四個(gè)范圍，電阻"shunt"用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，r1-r2用于設(shè)置運(yùn)算放大器的增益，并為比較器提供所需要的基準(zhǔn)電壓。r4-r7用來設(shè)置不同數(shù)字輸出狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限。