優(yōu)秀模擬工程師必備(二):放大器與比較器

　　放大器和比較器的區(qū)別

　　1.放大器與比較器的主要區(qū)別是閉環(huán)特性

　　放大器大都工作在閉環(huán)狀態(tài)，所以要求閉環(huán)后不能自激。而比較器大都工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)更追求速度。對(duì)于頻率比較低的情況放大器完全可以代替比較器(要主意輸出電平)，反過(guò)來(lái)比較器大部分情況不能當(dāng)作放大器使用。

　　因?yàn)楸容^器為了提高速度進(jìn)行優(yōu)化，這種優(yōu)化卻減小了閉環(huán)穩(wěn)定的范圍。而運(yùn)放專為閉環(huán)穩(wěn)定范圍進(jìn)行優(yōu)化，故降低了速度。所以相同價(jià)位檔次的比較器和放大器最好是各司其責(zé)。如同放大器可以用作比較器一樣，也不能排除比較器也可以用作放大器。但是你為了讓它閉環(huán)穩(wěn)定所付出的代價(jià)可能超過(guò)加一個(gè)放大器!

　　換言之，看一個(gè)運(yùn)放是當(dāng)作比較器還是放大器就是看電路的負(fù)反饋深度。所以，淺閉環(huán)的比較器有可能工作在放大器狀態(tài)并不自激。但是一定要作大量的試驗(yàn)，以保證在產(chǎn)品的所有工作狀態(tài)下都穩(wěn)定!這時(shí)候你就要成本/風(fēng)險(xiǎn)仔細(xì)核算一下了。

　　2.算放大器和比較器如出一轍，簡(jiǎn)單的講，比較器就是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)應(yīng)用，但比較器的設(shè)計(jì)是針對(duì)電壓門(mén)限比較而用的，要求的比較門(mén)限精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時(shí)間要短，輸出符合TTL/CMOS電平/或OC等，不要求中間環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力也不一樣。一般情況：用運(yùn)放做比較器，多數(shù)達(dá)不到滿幅輸出，或比較后的邊沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)中少用運(yùn)放做比較器為佳。

　　比較器和運(yùn)放雖然在電路圖上符號(hào)相同，但這兩種器件確有非常大的區(qū)別，一般不可以互換，區(qū)別如下：

　　1)、比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns數(shù)量級(jí)，而運(yùn)放翻轉(zhuǎn)速度一般為us數(shù)量級(jí)(特殊的高速運(yùn)放除外)。

　　2)、運(yùn)放可以接入負(fù)反饋電路，而比較器則不能使用負(fù)反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個(gè)輸入端，但因?yàn)槠鋬?nèi)部沒(méi)有相位補(bǔ)償電路，所以，如果接入負(fù)反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無(wú)相位補(bǔ)償電路，這也是比較器比運(yùn)放速度快很多的主要原因。

　　3)、運(yùn)放輸出級(jí)一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)比較器輸出級(jí)為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接。

　　通過(guò)以上我們可以看出放大器和比較器還是有比較多的區(qū)別的，但是放大器可以替代比較器嗎?都有哪些的注意點(diǎn)呢?

　　運(yùn)算放大器可以替代比較器嗎?

　　許多人偶爾會(huì)把運(yùn)算放大器當(dāng)比較器使用。一般而言，當(dāng)您只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器，并且您在四運(yùn)算放大器封裝中還有一個(gè)“多余”運(yùn)算放大器時(shí)，這種做法是可行的。穩(wěn)定運(yùn)算放大器運(yùn)行所需的相位補(bǔ)償意味著把運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)其速度會(huì)非常的低，但是如果對(duì)速度要求不高，則運(yùn)算放大器可以滿足需求。偶爾會(huì)有人問(wèn)到我們運(yùn)算放大器的這種使用方法。這種方法有時(shí)有效，有時(shí)卻不如人們預(yù)期的那樣效果好。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?

　　許多運(yùn)算放大器都在輸入端之間有電壓鉗位，其大多數(shù)一般都使用背靠背二極管(有時(shí)使用兩個(gè)或者更多的串聯(lián)二極管)來(lái)實(shí)施。這些二極管保護(hù)輸入晶體管免受其基極結(jié)點(diǎn)反向擊穿的損害。差動(dòng)輸入為約 6V 時(shí)便會(huì)出現(xiàn)許多 IC 工藝擊穿，這會(huì)極大地改變或者損壞晶體管。下圖顯示了 NPN 輸入級(jí)，D1 和 D2 提供了這種保護(hù)功能。

　　在大多數(shù)常見(jiàn)運(yùn)算放大器應(yīng)用中，輸入電壓均約為零伏，其根本無(wú)法開(kāi)啟這些二極管。但是很明顯，對(duì)于比較器的運(yùn)行而言，這種保護(hù)便成了問(wèn)題。在一個(gè)輸入拖拽另一個(gè)輸入(以一種討厭的方式拉其電壓)以前，差動(dòng)電壓范圍(約0.7V)受限。盡管如此，但我們還是可以把運(yùn)算放大器用作比較器。但是，在我們這樣做時(shí)必須小心謹(jǐn)慎。在一些電路中，這種做法可能是完全不能接受的。

　　問(wèn)題是我們(包括其他運(yùn)算放大器廠商)并沒(méi)有總是說(shuō)明這些鉗位的存在。即使有所說(shuō)明，我們可能也不會(huì)做詳細(xì)的解釋或者闡述。也許我們應(yīng)該說(shuō)：“用作比較器時(shí)，請(qǐng)小心謹(jǐn)慎!”產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的作者們通常也只是假設(shè)您肯定會(huì)把運(yùn)算放大器當(dāng)作運(yùn)算放大器用。最近，我們?cè)诿绹?guó)亞利桑那州圖森產(chǎn)品部召開(kāi)了一個(gè)會(huì)議。會(huì)議決定，我們以后將會(huì)更加清楚地說(shuō)明這種情況。但是，現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的運(yùn)算放大器怎么辦呢?下列指導(dǎo)建議可能會(huì)對(duì)您有所幫助：

　　一般而言，雙極 NPN 晶體管運(yùn)算放大器都有輸入鉗位，例如：OP07、OPA227 和 OPA277 等。uA741 是一個(gè)例外，它具有 NPN 輸入晶體管，并且有一些為 NPN 提供固有保護(hù)的附加串聯(lián)橫向 PNP。

　　使用橫向 PNP 輸入晶體管的通用運(yùn)算放大器一般沒(méi)有輸入鉗位，例如：LM324、LM358、 OPA234、OPA2251 和 OPA244。這些運(yùn)算放大器一般為“單電源”類型，其意味著它們擁有一個(gè)擴(kuò)展至負(fù)電源端(或者稍低)的共模范圍。輸入偏置電流為一個(gè)負(fù)數(shù)時(shí)，表示輸入偏置電流自輸入引腳流出。這時(shí)，我們通?？梢哉J(rèn)定它們?yōu)檫@類運(yùn)算放大器。但是，需要注意的是，使用 PNP 輸入的高速運(yùn)算放大器一般有輸入鉗位，而這些 PNP 是一些具有更低擊穿電壓的垂直 PNP。

　　更高電壓(一般大于 20V)下工作的 JFET 和 CMOS 放大器，可能有也可能沒(méi)有鉗位。這種不確定性，要求您進(jìn)行更多仔細(xì)的檢查。所用工藝和晶體管類型的特性，決定了其內(nèi)部是否存在鉗位。

　　大多數(shù)低壓 CMOS 運(yùn)算放大器都沒(méi)有鉗位。自動(dòng)歸零或者斬波器類型是一個(gè)特例，其可能具有類似鉗位的行為表現(xiàn)。

　　底線是……如果您考慮把運(yùn)算放大器用作比較器，請(qǐng)一定小心謹(jǐn)慎。仔細(xì)閱讀產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，不要漏掉一點(diǎn)信息，包括應(yīng)用部分的一些注解內(nèi)容。在電路試驗(yàn)板或者樣機(jī)中驗(yàn)證其表現(xiàn)，查看一個(gè)輸入電壓對(duì)另一個(gè)輸入電壓的影響。不要依賴 SPICE 宏模型。一些宏模型可能并不包括對(duì)鉗位建模的一些額外組件。另外，當(dāng)您笨手笨腳地把運(yùn)算放大器從一個(gè)軌移動(dòng)到另一個(gè)軌時(shí)可能出現(xiàn)其他一些現(xiàn)象，我們可能無(wú)法精確地對(duì)這些現(xiàn)象建模。

　　比較器典型應(yīng)用電路

　　這里舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用。

　　1.散熱風(fēng)扇自動(dòng)控制電路

　　一些大功率器件或模塊在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風(fēng)扇來(lái)冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡(jiǎn)單的溫度控制電路，如圖7所示。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測(cè)功率器件的溫度(散熱片上的溫度要比器件的溫度略低一些)，當(dāng)5V電壓加在RT及R1電阻上時(shí)，在A點(diǎn)有一個(gè)電壓VA。當(dāng)散熱片上的溫度上升時(shí)，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(shù)(即溫度一定時(shí)，其阻值也是一定的單值)。如果我們?cè)O(shè)定在80℃時(shí)應(yīng)接通散熱風(fēng)扇，這80℃即設(shè)定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80℃時(shí)對(duì)應(yīng)的RT的阻值。R1的阻值是不變的(它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度變化不大時(shí)可認(rèn)為R1值不變)，則可以計(jì)算出在80℃時(shí)的VA值。

　　R2與RP組成分壓器，當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(shí)(電壓穩(wěn)定性較好)，調(diào)節(jié)RP可以改變VB的電壓(電位器中心頭的電壓值)。VB值為比較器設(shè)定的閾值電壓，稱為VTH。

　　設(shè)計(jì)時(shí)希望散熱片上的溫度一旦超過(guò)80℃時(shí)接通散熱風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80℃時(shí)的K值。一旦VA》VTH，則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風(fēng)扇(直流電機(jī))得電工作，使大功率器件降溫。VA、VTH電壓變化及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說(shuō)清楚的是在VA開(kāi)始大于VTH時(shí)，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)問(wèn)才能把溫度降到80℃以下。

　　從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應(yīng)地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大;反之亦然，調(diào)整十分方便。只要RT確定，RT的溫度特性確定，則R1、R2、RP可方便求出(設(shè)流過(guò)RT、R1及R2、RP的電流各為0.1～0.5mA)。

　　2.窗口比較器

　　窗口比較器常用兩個(gè)比較器組成(雙比較器)，它有兩個(gè)閾值電壓VTHH(高閾值電壓)及VTHL(低閾值電壓)，與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個(gè)比較器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout輸出高電平;若VA《VTHL，VA》VTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個(gè)冰箱報(bào)警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為0～5℃，(0℃到5℃是一個(gè)“窗口”)，在此溫度范圍時(shí)比較器輸出高電平(表示溫度正常);若冰箱溫度低于0V或高于5℃，則比較器輸出低電平，此低電平信號(hào)電壓輸入微控制器(μC)作報(bào)警信號(hào)。

　　溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0℃時(shí)阻值為333.1kΩ;5℃時(shí)阻值為258.3kΩ，則按1.5V工作電壓及流過(guò)R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計(jì)算出0℃時(shí)的VA值為0.5V(按圖10中R1=665kΩ時(shí))，5℃時(shí)的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設(shè)R2=665kΩ，則按圖11，可求出流過(guò)R2、R3、R4電阻的電流I=(1.5V-0.5V)/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=(R3+R4)0.0015mA， 則可求出R3=53.3kΩ。

　　本例中兩個(gè)比較器采用低工作電壓、低功耗、互補(bǔ)輸出雙比較器LT1017，無(wú)需外接上拉電阻。

　　總結(jié)：雖然在某種情況下運(yùn)算放大器可以作為比較器來(lái)使用，但是當(dāng)你對(duì)運(yùn)算速度的要求較高時(shí)，運(yùn)算放大器就不能滿足比較器的需求了。通過(guò)這篇文章大家可以充分了解到運(yùn)算放大器與比較器的不同之處及運(yùn)算放大器在何種情況下可用作比較器，也讓大家對(duì)放大器和比較器有了充分的認(rèn)識(shí)與理解。