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詳解運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別,看了都說懂了~

發(fā)布時(shí)間:2019-12-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】比較器是一種帶有反相和同相兩個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端的器件,該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間。運(yùn)算放大器同樣如此。乍看這兩者似乎可以互換,但實(shí)際上,兩者之間還是存在一些重要差異……
  
比較器用于開環(huán)系統(tǒng),旨在從其輸出端驅(qū)動邏輯電路,以及在高速條件下工作,通常比較穩(wěn)定。
 
運(yùn)算放大器過驅(qū)時(shí)可能會飽和,使得恢復(fù)速度相對較慢。施加較大差分電壓時(shí),很多運(yùn)算放大器的輸入級都會出現(xiàn)異常表現(xiàn),實(shí)際上,運(yùn)算放大器的差分輸入電壓范圍通常存在限制。運(yùn)算放大器輸出也很少兼容邏輯電路。
 
但是仍有很多人試圖將運(yùn)算放大器用作比較器。這種做法在低速和低分辨率時(shí)或許可行,但是大多數(shù)情況下結(jié)果并不理想。今天小編就給大家說說這“結(jié)果并不理想”的原因。
 
1、速度不同
 
大多數(shù)比較器速度都很快,不過很多運(yùn)算放大器速度也很快。為什么將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)會造成低速度呢?
 
比較器用于大差分輸入電壓,而運(yùn)算放大器工作時(shí),差分輸入電壓一般會在負(fù)反饋的作用下降至最低。當(dāng)運(yùn)算放大器過驅(qū)時(shí),有時(shí)僅幾毫伏也可能導(dǎo)致過載,其中有些放大級可能發(fā)生飽和。這種情況下,器件需要相對較長的時(shí)間從飽和中恢復(fù),因此,如果發(fā)生飽和,其速度將比始終不飽和時(shí)慢得多(參見圖1)。
 
詳解運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別,看了都說懂了~
圖1:放大器用作比較器時(shí)的放大器速度飽和效應(yīng)
 
過驅(qū)的運(yùn)算放大器的飽和恢復(fù)時(shí)間很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過放大器的正常群延遲,并且通常取決于過驅(qū)量。由于僅有少數(shù)運(yùn)算放大器明確規(guī)定從不同程度過驅(qū)狀態(tài)恢復(fù)所需的時(shí)間,因此,一般說來,有必要根據(jù)特定應(yīng)用的具體過驅(qū)情況,通過實(shí)驗(yàn)確定放大器的特性。
 
對這類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度,通過比較器(運(yùn)算放大器)的傳播延遲值(用于最差條件下的設(shè)計(jì)計(jì)算)應(yīng)至少為所有實(shí)驗(yàn)中最差值的兩倍。
 
2、輸出作用不同
 
比較器的輸出端用于驅(qū)動特定邏輯電路系列,運(yùn)算放大器的輸出端則用于在供電軌之間擺動。
 
通常,比較器驅(qū)動的邏輯電路不會共用運(yùn)算放大器的電源,運(yùn)算放大器軌到軌擺動可能會超出邏輯供電軌,很可能會破壞邏輯電路,引起短路后還可能會破壞運(yùn)算放大器。
 
有三種邏輯電路必須考慮,即ECL、TTL和CMOS。
 
ECL是一種極快的電流導(dǎo)引邏輯系列。基于上述原因,當(dāng)應(yīng)用中涉及ECL的最高速度時(shí),運(yùn)算放大器不太可能會用作比較器。因此,通常只需注意從運(yùn)算放大器的信號擺幅驅(qū)動ECL邏輯電平;因雜散電容造成的額外速度損失并不重要。因此只需采用三個(gè)電阻即可,如圖2所示。
 
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圖2:驅(qū)動ECL邏輯電路的運(yùn)算放大器比較器
 
圖中選用了R1、R2和R3。當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為正值時(shí),柵級電平為–0.8V;當(dāng)輸出較低時(shí),柵級電平為–1.6V。ECL有時(shí)候采用正電源而不是負(fù)電源(即另外一個(gè)供電軌接地),這種情況下采用的基本接口電路相同,但是數(shù)值必須重新計(jì)算。
 
雖然CMOS和TTL的輸入結(jié)構(gòu)、邏輯電平和電流差別很大(即便有些CMOS明確規(guī)定可以采用TTL輸入電平工作),但由于這兩種邏輯電路都在邏輯0(接近0V)和邏輯1(接近5V)時(shí)工作,因此非常適合采用相同的接口電路。
 
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圖3:驅(qū)動TTL或CMOS邏輯電路的運(yùn)算放大器比較器
 
最簡單的接口采用單個(gè)N溝道MOS晶體管和一個(gè)上拉電阻RL(如圖3所示)。用NPN晶體管、RL,外加一個(gè)晶體管和二極管也可以組成類似的電路。這些電路簡單、廉價(jià)且可靠,還可以連接多個(gè)并聯(lián)晶體管和一個(gè)RL,實(shí)現(xiàn)“線或”功能,但是0-1轉(zhuǎn)換的速度取決于RL值和輸出節(jié)點(diǎn)的雜散電容。RL值越低,速度越快,但是功耗也會隨之增加。通過采用兩個(gè)MOS器件、一個(gè)P溝道和一個(gè)N溝道,可以組成一個(gè)只需兩個(gè)器件的CMOS/TTL接口,每種狀態(tài)下都沒有靜態(tài)功耗(參見圖4)。
 
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圖4:內(nèi)置CMOS驅(qū)動器的運(yùn)算放大器比較器
 
此外,只需改變器件的位置,就可以設(shè)置成反相或同相。但是,當(dāng)兩個(gè)器件同時(shí)打開時(shí),開關(guān)過程中勢必會產(chǎn)生較大的浪涌電流,除非采用集成高通道電阻的MOS器件,否則就可能需要使用限流電阻來減小浪涌電流的影響。該圖和圖3中的應(yīng)用所采用的MOS器件柵源擊穿電壓VBGS在每個(gè)方向都必須大于比較器的輸出電壓。MOS器件中常見的柵源擊穿電壓值VBGS>±25V,這一數(shù)值通常綽綽有余,但是很多MOS器件內(nèi)置柵級保護(hù)二極管,會減小這一數(shù)值,所以這些器件不應(yīng)采用。
 
3、輸入考慮因素
 
對于用作比較器的運(yùn)算放大器,還需考慮與其輸入相關(guān)的多種影響因素。工程師對所有運(yùn)算放大器和比較器做出的第一級假設(shè)是:它們具有無窮大的輸入阻抗,并且可視為開路(電流反饋(跨導(dǎo))運(yùn)算放大器除外,這種運(yùn)算放大器的同相輸入端具有高阻抗,但反相輸入端只有幾十歐姆的低阻抗)。
 
但是很多運(yùn)算放大器(尤其是偏置補(bǔ)償型運(yùn)算放大器)都內(nèi)置保護(hù)電路,以防止大電壓損壞輸入器件。
 
其它運(yùn)算放大器則內(nèi)置更復(fù)雜的輸入電路,在施加的差分電壓小于幾十毫伏時(shí)只具有高阻抗,或者在差分電壓大于幾十伏時(shí)可能會損壞。因此,將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí),如果施加大差分電壓,必須仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊,才能確定輸入電路的工作方式。(采用集成電路時(shí),務(wù)必研究數(shù)據(jù)手冊,確保其非理想特性(每個(gè)集成電路都存在一些非理想特性)兼容推薦的應(yīng)用,本文中這點(diǎn)尤為重要)。圖5所示為內(nèi)置防止大差分電壓輸入二極管的運(yùn)算放大器。
 
詳解運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別,看了都說懂了~
圖5:具有保護(hù)功能的運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)
 
當(dāng)然,有一些比較器應(yīng)用不存在大差分電壓;即使存在,比較器的輸入阻抗相對而言也不太重要。這種情況適合將運(yùn)算放大器用作比較器,其輸入電路表現(xiàn)為非線性,但是涉及的問題必須考慮,不能忽視。
 
對BIFET運(yùn)算放大器而言,如果其輸入接近其中一個(gè)電源(通常為負(fù)電源),幾乎都會表現(xiàn)異常。其反相和同相輸入可能會互換。如果運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)發(fā)生這種情況,涉及的系統(tǒng)相位將會反轉(zhuǎn),造成極大不便。要解決這一問題,還是必須仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊,確定合適的共模范圍。
 
而且,沒有負(fù)反饋意味著輸入阻抗不必乘以開環(huán)增益,這與運(yùn)算放大器電路不同。因此,輸入電流會隨著比較器開關(guān)而變化。驅(qū)動阻抗和寄生反饋也因此對影響電路穩(wěn)定性起著重要作用。負(fù)反饋往往會使放大器保持在線性區(qū)域內(nèi),正反饋則會使其飽和。
 
最后的建議
 
運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的目的不是用作比較器,因而不太建議這種做法。盡管如此,在某些應(yīng)用中,將運(yùn)算放大器用作比較器卻是正確的設(shè)計(jì)決策,關(guān)鍵是要慎重考慮后再做出決策,并確保所選運(yùn)算放大器能達(dá)到預(yù)期的性能。因此,必須仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊,認(rèn)真考慮由于運(yùn)算放大器性能達(dá)不到理想狀態(tài)而導(dǎo)致的影響,并計(jì)算出運(yùn)算放大器參數(shù)對應(yīng)用的影響。由于運(yùn)算放大器以非標(biāo)準(zhǔn)方式使用,可能還必須進(jìn)行某些實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)所用的放大器不一定具有典型性。因此,解讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)不宜過于樂觀。
 
 
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