模擬IC電路之比較器設計詳細過程

比較器的定義和原理

比較器是一種電子器件，用于比較兩個輸入信號的大小，并根據(jù)比較結果輸出一個邏輯信號。比較器通常由兩個輸入端、一個輸出端和一個閾值電壓組成。當輸入信號電壓超過閾值電壓時，比較器輸出低電平；當輸入信號電壓低于閾值電壓時，比較器輸出高電平。

比較器的原理基于閾值電壓的概念。閾值電壓是指輸入信號電壓超過或低于某個特定值時，比較器輸出發(fā)生變化的臨界點。比較器通常有兩個閾值電壓，一個是正向閾值電壓，一個是負向閾值電壓。當輸入信號電壓超過正向閾值電壓時，比較器輸出低電平；當輸入信號電壓低于負向閾值電壓時，比較器輸出高電平。

圖 比較器的符號

比較器輸入輸出關系圖

比較器性能指標

滯回電壓： 比較器兩個輸入端之間的電壓在過零時輸出狀態(tài)將發(fā)生改變，由于輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產(chǎn)生的差模電壓會導致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化，為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。

偏置電流： 理想的比較器的輸入阻抗為無窮大，因此，理論上對輸入信號不產(chǎn)生影響，而實際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大，輸入端有電流經(jīng)過信號源內阻并流入比較器內部，從而產(chǎn)生額外的壓差。

超電源擺幅： 為進一步優(yōu)化比較器的工作電壓范圍，Maxim公司利用NPN管與PNP管相并聯(lián)的結構作為比較器的輸入級，從而使比較器的輸入電壓得以擴展，這樣，其下限可低至最低電平，上限比電源電壓還要高出250mV，因而達到超電源擺幅（Beyond-theRail）標準。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。

漏源電壓： 由于比較器僅有兩個不同的輸出狀態(tài)（零電平或電源電壓），且具有滿電源擺幅特性的比較器的輸出級為射極跟隨器，這使得其輸入和輸出信號僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態(tài)下的發(fā)射結電壓，對應于MOSFFET的漏源電壓。

輸出延遲時間： 包括信號通過元器件產(chǎn)生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間，對于高速比較器，如MAX961，其延遲時間的典型值可對達到4.5ns，上升時間為2.3ns。設計時需注意不同因素對延遲時間的影響，其中包括溫度、容性負載、輸入過驅動等的影響。

比較器種類選型

過零電壓比較器：典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖。

AD轉換

比較器還可以作為ADC中的一個典型元件。例如在比較器的一個輸入端連接磁性傳感器或光電二極管，另一輸入端接參考電壓，用傳感器驅動比較器的輸出端產(chǎn)生合適驅動邏輯電路的高低電平。

圖 光敏電阻模數(shù)轉換典型電路圖

比較器與運放的聯(lián)系和區(qū)別

比較器與運算放大器（運放）有密切的聯(lián)系和區(qū)別。運放是一種線性放大器，用于放大或處理模擬信號。比較器則是一種數(shù)字邏輯器件，用于比較兩個輸入信號的大小并輸出邏輯信號。

盡管運放和比較器都是電子器件，但它們的電路結構和應用領域有所不同。運放通常用于模擬信號的處理和放大，而比較器則用于數(shù)字信號的處理和比較。

該圖為理想運放與其輸入輸出關系。圖中輸出只有兩種狀態(tài)：UH和UL。

關于比較器的靈敏度問題

對于一個過于靈敏的比較器，往往會給系統(tǒng)帶來麻煩。因為日常生活的輸入信號，它并不是一個理想的信號，它是包含噪聲信號的。

將圖中藍色區(qū)域展開，可發(fā)現(xiàn)：對于一個非常靈敏的比較器， 噪聲信號是波動的，經(jīng)常會在某個點低于基準點，從而使比較器發(fā)生翻轉。這就形成了有點所示的很多較小時間的脈沖。而這往往是不準確的。

總之，比較器是一種重要的電子器件，用于比較兩個輸入信號的大小并輸出邏輯信號。它廣泛應用于各種數(shù)字和模擬電路中，如ADC、DAC、觸發(fā)器和波形發(fā)生器等。在選擇和使用比較器時，需要考慮其性能指標、精度和靈敏度等因素，以確保其能夠滿足實際應用的需求。