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(多图) 比较器的对比:测量信号,获得结果

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2009年12月31日 ?? 收藏1

  虽然概念简单,但电压比较器拥有大量的规格指标,使其应用复杂化。

  要点
?  虽然一只比较器只有三只管脚和电源脚,但比较器的使用与运放一样复杂。
  ?传播延迟与转换速率都代表着比较器的速度。
?  用运放作比较器可以让你遇到麻烦。
?  了解数据表中的所有规格以及图表,确保设计能够工作。
  ?要比较微伏级的压差,需要在比较器前使用前置放大。

  尽管概念上很简单,今天的电压比较器却做着简单但基础性的工作:比较两个电压,确定哪个更大。做这一任务时,它们要接受两个模拟信号,并在输出端给出一个二进制信号。在这个意义上,一只比较器类似于一种1位ADC。比较器的基本功能是用在需要比较某个电压和一个稳定基准的应用中,这类应用包括电平转换、雷达、时钟恢复电路、防抱死系统上的车轮传感器、雨量计,以及手持产品中的耳机插孔探测等。阅读制造商的数据表和应用说明,可以了解到数百种其它潜在的应用(参考文献1至4)。

  不过虽然有这些功用,需要了解的比较器规格却太多(参考文献5与6),并且没有一款器件会获得所有人的青睐。凌力尔特技术公司设计部主管Brendan Whelan说:“对于80%的人来说,少量比较器就能满足他们的需求。对于其它20%,没有哪两个人想要的比较器相同。”

  使这些器件的选择与应用更加复杂的是,有些工程师认为,比较器只不过是以开环结构(即没有负反馈)运行的运算放大器。由于运算放大器有良好均衡的差分输入和非常高的增益,有些运放也可以在某些功能中用作比较器(参考文献7、8和9)。不过,实际上专用比较器较通用运放有多种优势。例如,专用的电压比较器一般要快于用作比较器的通用运放。一只比较器还可以包含附加特性,如精准的内部电压基准、可调迟滞,以及时钟门控输入。

  选择比较器而不是运放的另一个原因是,运放是工作在自己的线性区间内,而比较器运行在开环模式,并转换为高或低输出。当用运放作比较器时,必须首先保证在输入管脚之间不存在内部钳位。这些钳位用于防止将输入端拉高到超过二极管压降。在运放输入端串联电阻可以解决这些问题,但这种方法提高了输入源阻抗。另外还要注意,运放退出饱和可能比较缓慢(图1),并且,当将它们驱动至电压轨时,运放的静态电流可能达到过高的水平。另外不要顺手采用四器件封装中剩余的“免费”运放:四器件中的一只在电压轨之间摆动很困难,几乎肯定会有与封装中其它三只放大器的干扰和噪声问题。放大器的Spice模型也可能无法正确表述一个比较器在饱和期间的运行情况。

图1,与比较器相比,一只运放要花更多时间退出饱和(Analog Devices公司提供)。

图1,与比较器相比,一只运放要花更多时间退出饱和(Analog Devices公司提供)。

  另一方面,当设计必须识别出小电压(如10?V~200?V)时,工程师可以合理地用运放作比较器。在这些情况下,运放放大一个进入比较器的输入信号。这样,就给了比较器的一个低阻输入,能为比较器的转换提供足够的过驱动(即电压额度超出标称开关点)。凌力尔特公司的研究科学家Jim Williams开发了多款这类电路(参考文献10与11)。据Williams称,在比较器前面采用一片运放也能很好地工作。他说:“尽可能提高前置放大的增益,让它完成工作。”

  你还可以用两只比较器,做出一个窗口比较器,用于指示输入信号是否位于两个电平之间,或者将一个锂离子充电器的充电电压保持在边界以内。此外,还可以用带反馈的比较器搭建自动工作的振荡器。由于比较器通常是采用一个基准电压设定触发电平,因此当前的几百款器件都包含了基准和比较器。

  工作原理

  一只比较器的工作原理简单明了。它有一个正脚和一个负脚。当正脚上的电压较高时,比较器的输出就“断言”(或驱动)一个信号。采用集电极开路输出时,比较器的输出脚是一只晶体管的集电极或FET的漏极。采用推挽输出时,比较器有一个“图腾柱”输出,即一个互补的NPN/PNP级,像运算放大器中的一样。集电极开路输出用于负载与比较器各自使用不同电源的情况。这种方案能够实现12V的螺线管,虽然比较器可能只工作在3.3V。集电极开路输出的另一个作用是当输出关断时,尽量减小静态电流。在图腾柱级中,N型输出晶体管中没有基极电流流过,而有些基极电流则总是流过两个输出晶体管中的一个。

  不过,集电极开路输出也有一些缺点。例如,它们需要外接上拉电阻。这些电阻必须在高阻周期内完成上拉任务,这样当输出低于关断时,比较器可以更快地开关,并且上拉电阻使输出为高。因此,当你需要对称波形时,就不适合用集电极开路输出,如时钟恢复电路。如果你的电路不需要电平转换,就应选择推挽输出,如采用Advanced Linear Devices公司的ALD2321APC,它可以提供24mA的输出驱动能力,静态电流为90?


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比较器? 运算放大器?

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