利用精密比較器解決精密電壓檢測問題

比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。在許多情況下，如方脈沖整形電路中，電壓比較的精度不是很關(guān)鍵，電壓值可以在幾百毫伏范圍內(nèi)變化而不影響電路性能。然而，也有許多應(yīng)用要求非常精確的比較電壓，而且這些電壓要求具有很小的漂移，不會與遲滯電路發(fā)生交互影響。本文討論了將普通比較器應(yīng)用于精密電壓檢測時遇到的問題，并介紹了一款新的能夠克服這些問題的精密比較器。

普通比較器

比較器是一種高增益放大器，可以放大輸入端很小的差分信號，并驅(qū)動輸出端切換到兩個輸出狀態(tài)中的一個。圖1是基本的比較器電路，可以用在反相或同相配置中。輸入信號與門限電壓VTH進行比較，輸出端根據(jù)輸入信號是小于還是大于VTH而改變其狀態(tài)。

圖1B和1D給出了比較器電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)。同相比較器被定義為在輸入信號大于門限電壓時輸出為正的比較器，而反相比較器被定義為輸入信號大于門限電壓時輸出為負的比較器。

圖1：同相與反相比較器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

比較器的增益決定了將輸出驅(qū)動到高或低輸出狀態(tài)所要求的差分輸入電壓。例如，如果比較器的增益為80dB，即10，000倍，并且供電電壓為5V，那么把輸出驅(qū)動為高或低狀態(tài)所需的輸入差分電壓只需0.5mV。這種情況下，很容易因為信號上或比較電壓VTH上的噪聲而在比較器輸出端產(chǎn)生多次狀態(tài)變化的問題。

圖2中的示波器圖形，顯示了一個有較小噪聲的輸入信號、以及它對圖1C所示的反相比較器輸出狀態(tài)的影響。在圖2中，綠色線條代表的是輸入信號VS，藍色線條代表的是門限電壓VTH，而黃色線條代表的是比較器的輸出VO。

圖2所示的比較器輸出信號下降沿的波動可以利用正反饋消除，因為正反饋可以用來增加比較器的滯后效應(yīng)。圖3給出了圖1所示比較器的應(yīng)用原理圖，其中反饋電阻Rf和Ri增加的正反饋和滯后功能也顯示于轉(zhuǎn)換函數(shù)的圖形中。

圖2：沒有滯后的比較器信號。

圖3：帶滯后效應(yīng)的同相與反相比較器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

正反饋增強了信號電壓與轉(zhuǎn)變點參考電壓VTH之間的差異，并產(chǎn)生兩個門限值：一個用于正方向變化的輸入信號，一個用于負方向變化的信號。它們在圖3中分別被標記為LSTV（下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓）和USTV（上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓）。滯后功能將抑制小于滯環(huán)寬度的噪聲幅度，并阻止出現(xiàn)多次輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

討論具有滯后功能的比較器需要引入一個新的術(shù)語：狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓，它被定義為導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)發(fā)生切換時的實際信號電壓值。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓有兩個獨特的值，具體取決于比較器輸出電壓；VTH是門限電壓（或閥值電壓），也是理想的比較電壓。

STV即狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，它是輸出狀態(tài)改變時的信號電壓。STV有兩個值：

·USTV，即上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，是比門限電壓更大的STV。

·LSTV，即下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，是比門限電壓更小的STV。

圖4中的示波器圖形是圖3中的反相比較器增加了滯后功能后的效果。其中綠色線條代表的是輸入信號VS，黃色線條是輸出信號VO，而藍色線條是比較器+IN引腳上的電壓。該圖顯示了增加滯后功能后門限電壓的階躍函數(shù)，從而產(chǎn)生了USTV和LSTV。

圖4：帶滯后效應(yīng)的反相比較器。

在該圖中，輸入信號已經(jīng)被稍稍向上偏移了一些，以便展示滯后步驟的細節(jié)。

雖然滯后可以消除狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的輸出波動，但狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的實際值的精度將有所下降。沒有滯后效應(yīng)時，VTH、USTV和LSTV的值是相等的。

有了滯后功能后，USTV和LSTV將受到反饋電阻精度、比較器輸出飽和電壓、VTH值以及任何與信號源或門限電壓源有關(guān)的源阻抗的影響。

參考圖3A，該圖顯示的是不帶滯后功能的同相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式1：

等式1忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。輸出電壓VO有兩個值，一個是VOL，即輸出低飽和電壓，一個是VOH，即輸出高飽和電壓，因此+IN電壓有兩種計算結(jié)果。輸出飽和電壓值在大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊中都有規(guī)定。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓是輸入信號VS在+IN=VTH時的值。

等式2給出了同相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

等式3給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

圖3C是帶滯后功能的反相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式4：

等式4也忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。

等式5給出了反相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

等式6給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

拿同相比較器為例，等式2和3可以用來計算一系列曲線以表明這種滯后效應(yīng)對實際狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的影響，以及圍繞VTH的滯后電壓位置。

圖5是VTH在0到5V范圍內(nèi)變化時得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓圖。該圖疊加了兩個節(jié)點。

圖5：同相比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓。

標記為+IN=VTH的黃線是+IN=VTH時的圖形，它代表了比較器輸入端的電壓，是比較器輸出端改變狀態(tài)時的點組成的曲線。

標記為USTV的綠線以及標記為LSTV的藍線分別是上位和下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的圖形。

這些值是在+IN等于VTH、Rf=100kW、Ri=20kW、VOL=0.0V和VOH=5.0V時用等式2和3算出來的。這里選用了正反饋的較大值以便清晰地表明結(jié)果。在電路工作期間，當VS信號高于上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時，比較器的輸出將切換到高輸出狀態(tài)；當VS低于下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時比較器的輸出則切換到低輸出狀態(tài)。

這帶來的主要影響是當門限電壓值變化時滯后效應(yīng)不對稱。滯后曲線的位置不是以門限電壓為中心（只有一個點例外）并且取決于VTH。

對有些比較器應(yīng)用而言，狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的精度不是關(guān)鍵，但還是有許多應(yīng)用可以從精確、容易受控的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓受益。

“劑量調(diào)節(jié)”就是這類應(yīng)用之一，其中的“劑量（Dose）”是速率的積分。例如，如果一個管道中的液體流速為每分鐘1加侖，那么劑量或一定時間間隔內(nèi)液體的總量就是總液體數(shù)量或這段時間內(nèi)流動速率的積分。

作為本例的一個具體應(yīng)用是醫(yī)療X射線放射量測定，它用于控制X射線膠片的曝光。在X射線診斷過程中，對X射線膠片進行精確地曝光控制有助于減少病人接受的X射線。

針對這個應(yīng)用的電路如圖6所示。

圖6：具有可編程曝光功能的X射線放射量測定器。

該電路由兩個功能組成：一個是電離室，它能檢測X射線，并產(chǎn)生正比于X射線強度的電流IIC；另一個是由放大器A1和電阻RF組成的跨阻放大器（TIA），用來將電離室電流轉(zhuǎn)換成電壓： Dose = IIC x RF

放大器A1是針對非常低輸入偏置電流（典型3fA）設(shè)計的LMP7721，它非常適合放大源阻抗較高的信號，如電離室。放大器A2是一個用來測定劑量的積分器，它是劑量速率的積分：

當引腳1的積分器輸出與引腳2的門限電壓相等時，比較器LMP7300會指示所需劑量已達到。

在這類應(yīng)用中，所需劑量取決于多種因素，如被照射X射線的物體密度。

圖6中的12位DAC用來設(shè)置比較器的門限電壓。LMP7300具有一個精確穩(wěn)定的2.048V參考電壓，這個參考電壓被放大器A3放大到4.096V，并成為DAC的電壓參考，而DAC則向LMP7300比較器提供可編程門限電壓。

該應(yīng)用的另一個特點是使用LM2787和LM285-2.5為放大器A1和A2產(chǎn)生-0.25V的供電電壓。這個很小的負電壓可以使放大器輸出擺幅為0V，并根據(jù)速率和劑量信號改變放大器A1和A2的輸出飽和電壓到0V左右。

用于這類應(yīng)用的比較器需要具有一個精確門限電壓，該門限電壓要能在一定范圍內(nèi)是可編程的，以便優(yōu)化膠片曝光。門限電壓應(yīng)獨立于滯后電壓值、門限電壓值、比較器的輸出飽和電壓和反饋電阻容差。像LMP7300這樣的精密比較器就可以提供這些性能。具有獨立比較器功能和滯后控制功能的LMP7300如圖6所示。

另外，控制USTV的正向滯后和控制LSTV的反向滯后電路都具有獨立的控制輸入。這個重要特點如圖7所示，該圖給出了輸入信號和滯后控制組合下的比較器轉(zhuǎn)換函數(shù)。這個比較器有效地將代表了理想比較電壓的門限電壓與USTV和LSTV分開來，從而在提供精確信號比較的同時仍能提供滯后功能。

圖7：LMP7300獨立的滯后控制功能。

LMP7300的滯后值受控于VREF電壓和施加于HYSTP和HYSTN引腳電壓之間的電壓差。圖7A和7D顯示了兩種可能的滯后連接。如果一個滯后引腳被直接連接到VREF電壓，那部分滯環(huán)就會被刪除。參考圖6，滯后電壓值約為20mV：

由于滯后電壓獨立于VTH電壓，因此R5和R6不要求是精密電阻。無需改變VTH值，滯環(huán)寬度要多寬就可以多寬。

本文重點介紹了精密比較器（比如LMP7300）如何能利用外部反饋電阻產(chǎn)生滯后效應(yīng)，來克服現(xiàn)有比較器中常見的門限和滯后交互問題。

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