TI高精度实验室-运算放大器-第十五节-比较器应用

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TI高精度实验室-运算放大器-第十五节-比较器应用

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比较器的作用是比较两个模拟输入 信号并根据该比较生成数字或逻辑 电平输出。 在本视频中，我们将讨论模拟比较器的 基本功能及其部分主要规格， 其中包括输入失调电压或 VOS。

蓝色框中所示的输入级 包含一个 PNP差分放大器。 该差分级的每侧都使用 达林顿 PNP 晶体管。 使用达林顿连接晶体管 可增大输入阻抗，降低输入偏置电流， 允许共模输入电压 向下扩展至 0 伏。 该级中每个晶体管的发射极电路中都具有 电流源，用于设置发射极电流。 差分输入级中晶体管的集电极 连接到用作动态负载的 NPN 晶体管，如青绿色部分所示。 最后，动态负载级的输出耦合到 NPN 驱动器和集电极开路输出级，如紫色 部分所示。 在比较器的正常运行期间， 差分输入信号+IN 减去 -IN 由输入差分放大器的电压 增益进行放大。 该差分级的输出在 T6 上形成， 并用于打开或关闭输出级， 具体取决于输入极性

比较器根据其输出级设计 分为两种主要的类型。 这两种类型称为漏极开路或集电极开路和 推挽，也称为漏极-漏极， 我们的集电极-集电极。 集电极开路和集电极-集电极 比较器是使用双极晶体管构建的。 而漏极开路和漏极-漏极比较器是使用 FET 构建的。 左侧的比较器和前一张幻灯片中的 LM139 示例具有集电极开路 输出以及包含单个 NPN 双极 晶体管的输出级。当该晶体管导通时，它会主动地将电流 从集电极灌入到发射极，并将输出 电压 VO 下拉至非常接近于接地，即 0 伏。 输出摆动至接近于接地的 程度取决于集电极-发射极 饱和电压。 当晶体管关闭时，其集电极看起来 具有高阻抗，对输出电压 基本上没有影响。 在这种情况下，会通过上拉 电阻器从 V+拉取较小的电流， VO 升至 VOH，即我们的逻辑 1。 如果不使用该上拉电阻器，则 VO 可能会浮动至未知状态。 另一方面，推挽比较器具有 包含一对输出晶体管的 输出级。 该晶体管对中的上部或下部晶体管 会导通，并主动拉取或灌入电流，以根据 需要将输出驱动至高电平或低电平。 在右侧的示例中，P 沟道上部 FET 导通，以拉取电流并将输出 推至高电平。 同时 N 沟道下部 FET 导通， 以灌入电流并将输出拉至低电平。 该类型的比较器不需要上拉电阻器。

比较器的常见期望功能是生成逻辑“或”， 当其两个输入中的 任一个打开时，输出为逻辑低电平。 该功能块通常可以通过将 两个比较器的输出连接在 一起来实现。 不过，必须注意使用正确类型的比较器， 我们以后会讨论这一点。 让我们首先考虑左侧的电路， 该电路具有两个输出连接在一起的推挽器件。 请记住，推挽比较器会主动 拉取或灌入电流，以将其输出电压推高或拉低。 您可能已经看出该电路 配置的问题。 但让我们来分析一下其运行的不同可能性。 如果两个比较器的输出都为高电平， 那么每个推挽输出级中的顶部 晶体管会导通，输出被驱动为高电平。 类似地，如果两个输出都为低电平， 那么每个比较器中的底部晶体管会导通， 输出被驱动为低电平。 当两个比较器试图将输出驱动为不同的 状态时，问题就出现了。 在这种情况下，会发生冲突， 因为每个比较器都试图拉取或灌入 电流，以强制输出变为不同的电压。 这会导致出现高电流情况，从而将输出驱动至 某种不确定的状态，可能是高电平， 也可能是低电平。 正如您可以想象的那样， 该情况是不利的，甚至可能损坏器件。 因此，绝对不应以这种方式 将推挽比较器连接在一起。 另一方面，集电极开路或漏极开路 比较器可以在该方法下很好地工作。 请记住，集电极开路或漏极开路比较器的 输出级是使用单个晶体管 构建的，该晶体管在导通时会将 输出拉低，在关闭时看起来具有高阻抗。 现在，无论每个输出上存在哪种 高电平或低电平组合， 都会安全地将输出驱动至已知状态。 如果两个输出都为低电平，那么两个 输出晶体管都会导通，将总体输出 向下拉至大约 0 伏。 如果两个输出都为高电平，那么两个 晶体管都关闭，看起来具有高阻抗， 从而允许通过上拉电阻器将输出向上拉至 逻辑高电平。 如果一个输出为高电平，一个输出为低电平，那么 低电平状态将处于支配地位，因为与上拉 电阻器可以提供以尝试将输出驱动为高电平的 电流相比，导通的晶体管能够灌入的电流要大得多， 从而将输出拉低。 您可以查看右侧的真值表，以了解 全部四种可能输入状态下的逻辑行为。 正如您可以看到的，这等效于逻辑“或” 功能。 该采用比较器的逻辑“或”实现 通常称为线或配置。

第二部分：
主要讲解噪声相关的内容。一般就是通过迟滞来解决。

有些比较器内部自带几毫伏的迟滞。

第三部分：

工程师们常常想知道比较器 是否可以成功地与双电源配合使用。 尽管比较器最经常被显示和指定单 电源配置， 但它们几乎总是配置为双电源。 该幻灯片显示了4 个与单电源和 双电源配合使用的 3.3 伏 集电极开路和推挽输出比较器示例。 这些配置之间的主要差异在于 输入和输出电压范围以及输出 电流行为。 在左上角，我们具有 一个配置为单电源的 集电极开路比较器。 当电路的输出为逻辑高电平时， 输出级晶体管关闭，并且上拉 电阻器将电压上拉至电源。 在该状态下，比较器的输出 未消耗电流，没有电流流过 上拉电阻器。 当输出被驱动为低电平，达到 0 伏时， 比较器的输出级晶体管导通，上拉 电阻器上将具有完整的 3.3 伏电源电压。 可以通过将电源电压 除以上拉电阻来计算输出级中的 电流。 在左下角，我们具有 配置为双电源的集电极 开路比较器。 V+ 到 V- 的总电源电压 仍为 3.3 伏，唯一的变动 是中位电压现在等于 0 伏。 现在，V+ 是正1.65 伏，V- 是 负 1.65 伏。 对于该电路，输入共模范围和输出 摆幅范围跨越负1.65 伏至正 1.65 伏的 电源范围。 与单电源电路类似，当输出 为正 1.65 伏的高电平时， 该配置不需要电流，当输出为负 1.65 伏的 低电平时，将灌入电流。 右上角是配置为单电源的推挽 比较器。 在该情况下，输出连接到一个负载电阻器。 当比较器的输出为 0 伏的低电平时， 输出电流为 0，因为负载上的 电压为 0。 当输出为 3.3 伏的高电平时， 比较器会拉取电流，该电流大小等于 3.3 伏除以负载电阻。 最后，在右下角，我们具有配置为双电源的 推挽比较器。 在该情况下，当比较器 将输出驱动至正1.65 伏的高电平时， 它必须拉取电流，将输出驱动至负 1.65 伏的低电平时，它必须灌入电流。

启动时输出的不确定性分析。会在比较器电路中遇到的 一个常见问题称为启动输出状态不确定性。 启动状态不确定性意味着当比较器的 电源电压升高时，无论输入信号如何， 输出都可能会在各种状态之间来回转换。 因此，在启动期间输出可能会间歇性地 提供虚假或错误的状态， 直到电源电压达到 比较器的最低额定工作电压、 器件稳定。 如果比较器后面的电路在启动期间 更快地激活并且根据来自比较器的 意外输出状态进行操作，那么这可能是一个问题。 此处显示的电路中使用 TLV3492 说明了 该行为。 在该示例中，电源电压 使用锯齿信号发生器缓慢升高。 以红色和黑色显示了两组 不同的输入情况。 对于第一种以红色显示的情况， 同相输入上的电压大于 反相输入上的电压， 因此输出应为逻辑高电平。 我们可以看到，当电源电压 从 0 伏升至 3 伏时，输出状态实际上 从逻辑低电平转换为逻辑高电平，然后再转换为逻辑低电平， 然后在电源电压达到1.5 伏时稳定至逻辑 高电平。 在这一点之后，比较器的输出 保持在逻辑高电平，这符合预期。 请记住，对于TLV3492，1.5 伏 实际上低于最小电源电压 要求 1.8 伏。 对于以黑色显示的第二种 情况，反相输入电压 高于同相输入电压。 在这种情况下，预期的输出为逻辑低电平， 但实际输出在电源电压 升高时短暂地转换为逻辑高电平。 该不确定启动行为是不常见的， 可以在许多比较器中观察到。

所幸的是，某些更现代的比较器具有 相应的内部电路，可以解决该问题。 例如，TLV3691 具有上电复位-- 或 POR – 电路，该电路 可在启动期间强制比较器 输出为低电平。 如果我们重复前一张幻灯片中的 电源电压升高测试，那么我们 可以观察到在达到最低 VCC 之前， 比较器输出一直保持低电平。 这可能是某些可靠启动行为 至关重要的应用中的重要功能。

推挽输出的比较器的一项 重要交流注意事项 称为击穿电流。 这是在特定的条件下从正 电源流向负电源的 电流浪涌。 当比较器输出的状态 变化时会产生击穿电流，此时 此时两个输出晶体管都短暂地导通。 这会创建一条从正电源通过 输出电阻器的导通电阻到达 负电源的电流路径，从而导致 电源电流中出现短暂的 干扰。 这些干扰可能会影响邻近的比较器， 尤其是在使用双封装或四封装器件时。 电源干扰还可能会影响连接到 同一电源的邻近器件， 因为干扰的频率相当高， 此时许多器件的电源 抑制不一定很好。 所幸的是，通常可以通过选择 合适的电源去耦电容器 来解决该问题。 例如，LMC7211 数据表提供了 有关如何为该目的 选择电容器的详细信息。 此外，不要忘记遵循良好的印刷电路板 布局技巧，这些技巧可以为电容器 提供低电感路径。

比较器的另一个常见交流注意事项 是传播延迟。 这是当输入变为其最终输入电平的 50% 时比较器输出达到 其最终输出电平50% 所需的时间。 请注意，指定了两种传播延迟 – 一种 针对输出从低电平到高电平的转换， 这称为 Tp(lh)，另一种针对从高电平到低电平的 转换，这称为 Tp(hl)。 除了传播延迟，还指定了输出 波形的上升时间Tr 和下降时间 Tf。 这是输出从其最终值的 10% 转换为其90% 所需的时间。 请注意，由于输出级晶体管的 大小和阻抗，比较器的传播 延迟对于上升沿和下降沿可能是 不同的。

第四部分：

其他功能的一个示例是 TLV3011 和 TLV3012 等器件中包含的内部电压基准。 当您的应用要求您将一个 输入上的电压与固定的基准 电压电平进行比较时，这些 比较器中的内部1.242 伏 精密电压基准可能会非常有用。 在此处所示的示例中，使用 分压器将基准电压调节至 1 伏。 右侧的公式显示了如何 计算分压电阻器的值， 以实现您需要的有效 Vref。 请注意，使用内部基准电压 来生成 Vref通常比使用 电源要精确得多。

TLV2302 和 TLV2702微功耗比较器 在同一个封装中包含一个比较器和一个轨至轨 输入和输出运算放大器。 TLV2302 是一款漏极开路比较器， 而 TLV2702 是一款推挽输出比较器。 现在，请注意最好避免尝试将运算 放大器用作比较器，因为如果您的应用 需要比较器和运算放大器并且最大程度地 缩减印刷电路板的 布板空间至关重要，这些器件是很方便的。

另请注意，这些器件具有 2.5 伏 至 16 伏的宽电源电压范围， 最高可接受比正电源高 5 伏的 输入共模电压，并且包含高达 18 伏的电池反向保护功能。 TL3016 超快推挽比较器 具有丰富的附加功能

首先，它提供互补输出， 这意味着还提供典型比较器输出的 反相版本。 这在需要互补信号的 应用中非常有用。 该比较器还具有锁存使能或 LE 功能。 当 LE 引脚在0 伏和 0.8 伏 之间偏置时，TL3016 将作为比较器运行。 不过，当 LE 引脚偏置为 2 伏或更高时， 输出会锁存并保持其当前状态，直到取消锁存。 当锁存有效时输出不会变化， 即使比较器的输入发生变化也是如此。 右侧的仿真波形显示了 该器件的运行情况。 在 0 纳秒至50 纳秒的 时间范围内，锁存功能禁用， 比较器正常运行。 您还可以在该区域中观察到 互补输出 Q 和 QB。 在等于 50 纳秒的时间，锁存引脚 被设置为高电平，锁存功能启用。 从这一点开始，输出状态保持 不变，即使输入信号继续变化也是如此。

较器时，一个常见的主题 是将运算放大器用作比较器。 这么做既有优点，也有缺点，我们 现在要对此进行讨论。 让我们首先讨论优点。 就工程师希望将运算放大器用作 比较器而言，其最常见原因 或许是可能节省组件成本和缩小 印刷电路板面积。 如果已经在系统的其他位置使用了 双封装或四封装运算放大器并且 某些通道仍可用，那么为比较器功能分配任何 剩余的通道可能更高效。 此外，大多数放大器可提供比比较器 更佳的直流精度。 例如，正如我们在该视频系列的 第一部分中讨论过的， 较低的偏移电压可以改善比较器跳闸点的精度。 最后，运算放大器输出的变化率 受气压摆率的限制，这在比较器的快速 瞬变产生的电磁干扰或 EMI 是个问题的时候可能是有利的。 现在让我们来看看将运算放大器用作 比较器的缺点。 首先，大多数运算放大器的 功耗会高于等效的比较器。 此外，输入钳位二极管的存在 可能会限制允许的差分输入电压， 具体取决于运算放大器拓扑。 在允许的输入共模电压范围 之外运行时，许多非轨至轨运算放大器 会出现问题。 或许最重要的是，运算放大器从饱和 状态恢复的时间无法确定， 其范围为几百纳秒 至毫秒级，从而严重影响电路的 时序行为。 此外，运算放大器的 上升和下降时间受压摆率的 限制，通常比比较器慢很多。 最后，不存在与漏极开路或 集电极开路比较器等效的运算放大器。 所有运算放大器都会主动拉取或 保持电流，以在负载上创建所需的电压。 一般而言，运算放大器不在饱和状态下运行， 而在饱和状态下运行 正是比较器的设计目标， 也是其优势所在。

将运算放大器用作比较器的 最大挑战之一是处理运算放大器的差分 输入电压限制。 许多运算放大器，尤其是双极输入 运算放大器，在输入引脚 N+ 和 N- 上 采用了反并联输入二极管，也称为背对背 输入二极管。 这些二极管的作用是在存在 大差分输入电压时保护输入晶体管的 基极-发射极结不发生反向 击穿。 发生击穿后，晶体管的性能 会严重降低，从而导致运算放大器的 偏移电压、输入偏置电流和噪声 特性永久改变。 应避免这种永久性能下降， 因此输入钳位将差分输入电压限制 在安全的电平。 如果超过限值，那么钳位二极管 之一会发生正向偏置， 将电流导向输入引脚并偏离输入 晶体管。 常见的具有输入钳位的TI 双极运算放大器包括 OPA209、OPA211、OPA227 和 OPA1611 等。 由于比较器通常会向其输入端施加较大的 差分电压，因此双极运算放大器 通常不适合用作比较器。

此处提供了一些有关与双极以外的 半导体工艺类型相关的 输入钳位是否采用的一般准则。 大多数高电压CMOS 放大器， 如 OPA171 和 OPA172，具有输入钳位。 大多数低电压CMOS 放大器， 如 OPA325 和 OPA350，不具有输入钳位。 JFET 放大器，包括OPA140 和 OPA1641， 不具有钳位二极管。 最后，斩波放大器具有寄生输入二极管， 这些二极管的行为与典型的输入钳位结构相同。 相关的示例包括OPA333 和 OPA188。 当然，所有规则都存在例外情况， 因此只应将这些指南用作起点。