高頻運算放大器比較器的設(shè)計指南分享

與基于直流電壓/極低頻的比較器應(yīng)用相比，高頻比較器應(yīng)用需要額外的參數(shù)和考慮因素以提供更好的信號處理效率。與直流電壓應(yīng)用一樣，在高頻應(yīng)用中，也使用運算放大器代替比較器。但是，在高頻信號處理期間，運算放大器不會表現(xiàn)出與直流信號輸入相同的性能。在將運算放大器用于高頻比較器應(yīng)用之前，設(shè)計人員應(yīng)該知道不同的運算放大器參數(shù)在不同的頻率范圍內(nèi)是如何變化的。

DC和高頻信號的運算放大器性能有何不同？

要了解運算放大器的高頻現(xiàn)象，需要對運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析。LM324運算放大器的內(nèi)部原理圖如下圖1所示，LM339比較器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1：LM324 運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 2：LM339 比較器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過比較這兩個數(shù)字，我們可以發(fā)現(xiàn)，除了晶體管和電源，運算放大器中還有一個電容器，而在比較器中，電路內(nèi)部沒有電容。運算放大器內(nèi)部的電容器“ Cc ”稱為“補償電容器”，它定義了給定運算放大器的高頻操作。在各種高頻操作參數(shù)中，增益是任何應(yīng)用中任何運算放大器最重要的參數(shù)。對于比較器應(yīng)用，運算放大器將使用運算放大器的最大增益，并且由于頻率導(dǎo)致的增益變化是比較器應(yīng)用中運算放大器的第一個顯著參數(shù)。

LM324運算放大器的不同頻率信號的增益變化可以在圖3所示的開環(huán)頻率響應(yīng)曲線中找到。

圖 3：開環(huán)頻率響應(yīng)

根據(jù)開環(huán)頻率響應(yīng)的數(shù)據(jù)表曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)運算放大器的增益隨著頻率的增加而降低。對于 10Hz 以下，開環(huán)可以提供最大增益，在 1MHz 附近，增益為 0dB （1V/V）。在這種情況下，輸出電壓僅等于反相和非反相端電壓之差。此外，從圖 4 所示的 LM324 運算放大器的大頻率響應(yīng)來看，輸出電壓擺幅隨著頻率的增加而減小。在圖 4 中，對于 15V Vcc，我們可以從 LM324 Op-Amp 獲得 13.5V 的最大輸出，而如果信號頻率為 10kHz，則輸出電壓僅為 10V，而在 100kHz 時，輸出電壓約為 1V。因此，與直流應(yīng)用一樣，僅考慮器件的額定電壓，比較器不能直接被運算放大器取代。

圖 4：大頻率響應(yīng)

示例電路：使用鋸齒波和直流參考信號的 PWM 發(fā)生器

PWM 發(fā)生器電路是電力電子控制應(yīng)用中使用最廣泛的電路，其中固定頻率的鋸齒波形與直流電壓進行比較，并根據(jù)直流電壓的大小改變 PWM 占空比。

圖 5：高頻比較器應(yīng)用示例

在本例中，非反相輸入 （V+） 采用鋸齒波。鋸齒波的低電平電壓（V+）為0V，峰值電壓為0.5V。反相輸入 （V-） 直流電壓波形在 0V 至 0.5V 之間變化。如果反相輸入 （V-） 為 0V，則輸出始終為高電平 （Vcc） 或 100% 占空比。如果反相輸入電壓大于或等于 0.5V，則輸出電壓為零或 Vee。在此示例中，反相輸入電壓保持在 0.2V，LM339 比較器的響應(yīng)輸出響應(yīng)如圖 7 所示，相應(yīng)的電路如圖 6 所示。

圖 6：使用 LM339 比較器的 PWM 發(fā)生器電路

圖 7：使用 LM339 比較器的 PWM 發(fā)生器電路的輸出響應(yīng) – 10KHz

LM339 的 PWM 發(fā)生器電路按預(yù)期工作得更好，對于 5V Vcc，輸出最大電壓等于 Vcc，較低的電壓等于 120mV 左右。根據(jù)數(shù)據(jù)表規(guī)格，120mV 幾乎與典型的低電壓電平相匹配。

表 1：LM339 低電平輸出電壓數(shù)據(jù)表規(guī)格

使用 LM324 運算放大器的同一電路的響應(yīng)如下圖所示。

圖 8：使用 LM324 比較器的 PWM 發(fā)生器電路的輸出響應(yīng) – 10KHz

與使用 LM339 比較器的響應(yīng)相比，使用 LM324 實現(xiàn)的比較器電路產(chǎn)生了不同的響應(yīng)。如圖 9 所示，通過將這兩個輸出響應(yīng)放在一個窗口中，我們可以發(fā)現(xiàn)兩個主要的不匹配。

1） 輸出電壓電平

2）運算放大器響應(yīng)的上升時間和下降時間

就輸出電壓電平而言，比較器總是產(chǎn)生等于 Vcc 的輸出電壓，在極少數(shù)情況下，它可能會低于或高于 200mV。但是對于運算放大器，最大輸出電壓擺幅相對小于 Vcc。LM324 的輸出電壓擺幅如下表所示。根據(jù)數(shù)據(jù)表規(guī)范，5V - Vcc LM324 Op-Amp 輸出的最大輸出電壓僅為 3.5V。因此，在用運算放大器替換比較器時，設(shè)計人員必須檢查運算放大器的輸出電壓擺幅是否符合要求。

表 2：LM324 輸出電壓擺幅

圖 9：LM339 和 LM324 輸出響應(yīng)比較——10KHz

最終確定運算放大器可用作比較器的最重要參數(shù)是運算放大器的“轉(zhuǎn)換速率”。運算放大器的壓擺率定義為輸出信號達到其幅度的 10% 到幅度的 90% 所需的時間，通常以 V/us 關(guān)系表示。根據(jù)數(shù)據(jù)表，LM324 運算放大器的單位增益壓擺率為0.5V/us。

表 3：LM324 壓擺率額定值

在將運算放大器用于應(yīng)用之前，特別是對于高頻比較器應(yīng)用，壓擺率要求應(yīng)根據(jù)以下公式計算

轉(zhuǎn)換速率 （V/s） = 2.π.fV

這里 f = 頻率，如果要處理的信號以 Hz 為單位

V – 輸出信號的峰峰值電壓

在我們的應(yīng)用中，我們需要處理一個 10kHz 頻率的信號，輸出峰峰值電壓為 5V。因此，對于此要求，運算放大器所需的最小壓擺率為：

轉(zhuǎn)換速率 （V/s） = 2x3.14x10000x5 = 314000 V/s

在運算放大器數(shù)據(jù)表中，壓擺率以 V/uS 表示，將上述結(jié)果轉(zhuǎn)換為 V/us 得到 =》 0.314V/uS。另一個需要考慮的重要參數(shù)是獲得的壓擺率僅適用于單位增益（輸入電壓差和輸出電壓相等），并且壓擺率響應(yīng)將基于更高的增益而降低（作為比較器的運算放大器將在更高的增益級）。因此，在使用運算放大器比較器應(yīng)用時，壓擺率應(yīng)高于計算得到的完美輸出要求。

在選定的應(yīng)用中，所需的壓擺率是 0.314V/us，數(shù)據(jù)表值是 0.5V/us，單位增益， 這對于這個比較器應(yīng)用來說非常低，應(yīng)該用高壓擺率 Op 替換 LM324 運算放大器-放大器。

除了壓擺率以獲得更好的高頻輸出外，還應(yīng)根據(jù)信號頻率降低峰值輸出電壓，如圖 4 所示。使用 LM339 比較器和 LM324 運算放大器的 100 kHz 信號的輸出響應(yīng)如圖所示圖 10。

圖 10：LM339 和 LM324 輸出響應(yīng)比較 – 100KHz

在 100kHz 時，我們可以清楚地了解運算放大器替代比較器。對于 100kHz 操作，LM339 比較器仍能以極短的上升和下降時間產(chǎn)生所需的輸出信號。但是，基于LM324 運算放大器的比較器輸出不再是 PWM 波形。由于運算放大器內(nèi)部的Cc - 補償電容器會降低較高頻率的增益，因此基于運算放大器的比較器電路作為“低通濾波器”而不是比較器運行。對于 100kHz 頻率，所需的 Slew Rate 也是 3.14V/us，無法與 LM324 Op-Amp 匹配。

為了滿足這一要求，必須更換高壓擺率和高帶寬運算放大器而不是 LM324。

結(jié)論

對于比較器應(yīng)用，最好使用比較器而不是運算放大器。如果將比較器替換為用于 DC 和極低頻信號的運算放大器，則輸出電壓擺幅、共模電壓、差模電壓、輸出配置和驅(qū)動電流是分析時應(yīng)采用的重要參數(shù)。然而，如果應(yīng)用是高頻，除了上述幾點之外，運算放大器帶寬、壓擺率和傳播延遲是主要的決策參數(shù)。還添加了與定義不同頻率下的壓擺率計算的峰值電壓相關(guān)的大信號響應(yīng)，對于更高的壓擺率，運算放大器的工作電流消耗也更高，從而增加了運算放大器的功率要求。由于運行功率的增加，