比較器的合理選擇與應用,Selection and application of Comparators

關鍵字：比較器的合理選擇與應用

長期以來，比較器的應用一直受到運算放大器的沖擊，直到目前隨著比較器性能指標的不斷改進，這一現狀才得到改善，本文主要介紹新型比較器的性能及其典型應用。 比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當作一個1位模/數轉換器（ADC）。運算放大器在不加負反饋時從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開環增益非常高，它只能處理輸入 差分電壓非常小的信號。而且，一般情況下，運算放大器的延遲時間較長，無法滿足實際需求。比較器經過調節可以提供極小的時間延遲，但其頻響特性會受到一定限制。為避免輸出振蕩，許多比較器還帶有內部滯回電路。因此，比較器不能當作運算放大器使用。這也是運算放大器的應用范圍相對比較廣泛的主要原理之一。
1 比較器的電源電壓 傳統的比較器需要±15V雙電源供電或高達36V的單電源供電，這些產品在工業控制中仍有需求，許多廠商也仍在提供該類產品。但是，從市場發展趨勢看，目前大多數應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，而且，比較器必須具有低電流、小封裝牧場 生，有些應用中還要求比較器具有關斷功能。例如：MAX919比較器可工作在1.8V至5.5V電壓范圍內，全溫范圍內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品。
2 比較器的主要性能指標 比較器兩個輸入端之間的電壓在過零時輸出狀態將發生改變，由于輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產生的差模電壓會導致比較器輸出發生連續變化，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變為兩個：一個用于檢測上升電壓，一個用電壓門限（VTRIP-）之差等于滯回電壓（VHYST），滯回比較器的失調電壓是TRIP+和VTRIP-的平均值。不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點為輸入失調電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調電壓一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比表示電源電壓變化對換調電壓的影響。 理想的比較器的輸入阻抗為無窮大，因此，理論上對輸入信號不產生影響，而實際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大，輸入端有電流經過信號源內阻并流入比較器內部，從而產生額外的壓差。偏置電流（Ibias）定義為兩個比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。MAX917系列比較器的最大偏置電流僅為2nA。 為進一步優化比較器的工作電壓范圍，Maxim公司利用NPN管與PNP管相并聯的結構作為比較器的輸入級，從而使比較器的輸入電壓得以擴展，這樣，其下限可低至最低電平，上限比電源電壓還要高出250mV，因而達到了所謂的超電源擺幅（Beyond-the Rail）標準。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。 由于比較器僅有兩個不同的輸出狀態（零電平或電源電壓），且具有滿電源擺幅特性的比較器的輸出級為射極跟隨器，這使得其輸入和輸出信號僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態下的發射結電壓，對應于MOSFFET的漏源電壓。 輸出延遲時間是選擇比較器的關鍵參數，延遲時間包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間，對于高速比較器，如MAX961，其延遲時間的典型值可對達到4.5ns，上升時間為2.3ns。設計時需注意不同因素對延遲時間的影響，其中包括溫度、容性負載、輸入過驅動等的影響。 有些應用需要權衡比較器的速度與功耗，Maxim公司針對這一問題提供了多種芯片類型供選擇，其中包括從耗電800nA、延遲時間為30μs的MAX919到耗電6μA、延遲時間為540ns的MAX9075以及耗電600μA、延遲時間為20ns的MAX998到耗電11mA、延遲時間為4.5ns的封裝，其延遲時間低至5ns電源電流只有900μA，從而為產品設計提供了更多的選擇。
3 典型比較器 比較器通常用于比較兩個輸入電壓，其中，一路輸入電壓為固定值，另一路輸入為變化量，為滿足這種應用的需求，Maxim將基準源與比較器集成在同一芯片內，這樣不僅節省空間而且比外部基準耗電少，如，MAX918在全溫范圍內的最大消耗電流只有1.6μA（包括內部其準源）。考慮環境溫度的變化和基準源的類型，集成基準源的精度一般在1%至4%范圍內。對于精度要求較高的應用，可以考慮選用MAX9040系列產品，其內置基準源的初始精度可以達到0.4$、最大溫度漂移為30ppm/℃。 雙比較器MAX923與MAX933和漏極開路輸出的MAX973、MAX983非常適用于窗函數比較器的應用，內部基準可以連接到同相輸入端或反相輸入端，利用三個外部電阻即設置過壓、欠壓門限。另外，這些芯片還含有滯回輸入引腳，該引腳外接兩個分壓電阻設置滯回電壓門限。為便于使用，有些比較器還提供有同相、反相兩路輸出。
4 典型應用 圖2為一電平轉換器，可完成3V邏輯至5V邏輯的變換，漏極開路輸出比較器MAX986提供了一個極為簡捷的實現方案，同樣，如果比較器供電電壓允許（如MAX972），也可實現±5V雙極性邏輯至+3V單極性邏輯的電平轉換。具體應用時應注意輸入信號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。 利用單電源供電的比較器處理雙極性信號的具體電路如圖3所示，該電路可將雙性輸入的正弦波轉換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為： Vos=[(VccR1R2+V2R1R3)/R1R2+R1R3+R2R3] 式中：V2為峰-峰值。兩個阻值相同的電阻（R4）將比較器切換檢測門限設置在電源電壓的一半。 圖4所示是利用四個比較器構成一個電流檢測電路電路爐膛，可用于指示輸入電流的四種狀態，電阻“Shunt”用于將輸入電流轉換為電壓信號，R1和R2用于設置運算放大器的增益，并為比較器提供所需要的基準電壓。R4～R7可用來設置不同數字輸出狀態所對應的檢測門限。