比較器的原理及應(yīng)用 - 全文

本文詳細(xì)介紹比較器的應(yīng)用場合、原理及類型。從2005年到2006年，比較器的市場增長已超過了20%，但比較器在放大器整體市場中所占的份額僅為10%。

　　查閱維基百科便會(huì)發(fā)現(xiàn)大家熟知的雙路/四路比較器LM393/LM339排名很靠前。事實(shí)上，這兩個(gè)比較器也是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)使用最為普遍的器件系列之一。原因?yàn)楹?？如果單從?jīng)濟(jì)角度考慮，運(yùn)算放大器也可用作比較器，但這樣的做法是否可行？比較器的關(guān)鍵特性是什么？這些特性對于什么樣的應(yīng)用最重要？

　　本文將解答上述疑問，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，說明如何利用比較器實(shí)現(xiàn)高性能電路的設(shè)計(jì)。

　　什么是比較器？它和放大器有什么不同？

　　我們從工程學(xué)教程里了解到，運(yùn)算放大器需要三個(gè)內(nèi)部級(jí)才能發(fā)揮出最佳性能，比如實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個(gè)內(nèi)部級(jí)分別是差分輸入級(jí)、增益級(jí)（有或沒有內(nèi)部頻率補(bǔ)償）和輸出級(jí)。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運(yùn)算放大器曾作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件，主要以電壓和電壓信號(hào)來作標(biāo)識(shí)。在反饋應(yīng)用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對數(shù)等運(yùn)算。

　　比較器其實(shí)可看成一個(gè)能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號(hào)與已定義的參考電平進(jìn)行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設(shè)計(jì)具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

　　在LM339的數(shù)據(jù)表中，列出了大量的應(yīng)用。這基本上可以解釋其在過去30年中為何被業(yè)界廣泛地采用。以下列出LM339的一些常見應(yīng)用：

　　·邏輯電平平移；

　　·過零檢測/觸發(fā)電路；

　　·電壓信號(hào)/電源電壓監(jiān)察；

　　·Window比較器、施密特觸發(fā)器；

　　·振蕩器；

　　·時(shí)鐘緩沖器；

　　·互導(dǎo)放大器。

　　比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運(yùn)算放大器類似。因此，運(yùn)算放大器也可充當(dāng)比較器。但放大器并不是專門針對比較功能而開發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項(xiàng)功能可否正常實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開環(huán)設(shè)計(jì)，沒有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會(huì)在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號(hào)的極性。

　　此外，比較器一般都會(huì)被設(shè)計(jì)成 “過壓驅(qū)動(dòng)”（overdriven），意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對于運(yùn)算放大器而言，它通常被設(shè)計(jì)成在較小的信號(hào)和差分電壓下運(yùn)行，而這里的反饋概念通常都含有 “過驅(qū)” 意義，這樣會(huì)導(dǎo)致開環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應(yīng)。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的輸入級(jí)的飽和會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

　　再者，對于較大的差分輸入電壓來說，運(yùn)算放大器的輸出很容易到達(dá)極限輸出，從而啟動(dòng)保護(hù)功能。保護(hù)功能的啟動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗的量級(jí)明顯下降，迫使過量的電流涌到輸入級(jí)，造成過載，甚至過熱。如果在設(shè)計(jì)上沒有保護(hù)的措施，那便可能導(dǎo)致整個(gè)器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會(huì)提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設(shè)計(jì)人員決定用多少附加輸入電阻。

　　比較器和運(yùn)算放大器之間最基本的區(qū)別就是他們具有不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。開漏或開集（以MOSFET為例）輸出都有一個(gè)可用作輸出但卻不內(nèi)部連接到V+的節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)連接正電源電壓的外部電阻器會(huì)在晶體管被關(guān)閉時(shí)將輸出拉成 “高”。這個(gè)外部電壓可以高于VCC，并且允許電平移位或可通過平行數(shù)個(gè)器件的兩個(gè)或更多個(gè)輸出來達(dá)到所謂的 “Wired-Or”2 功能 。假如內(nèi)部的晶體管啟動(dòng)，一個(gè)細(xì)小的電流會(huì)從外部電源經(jīng)過上拉電阻器流進(jìn)器件輸出，并令輸出電壓級(jí)轉(zhuǎn)換成 “低” 和接近VCE （雙極晶體管中的集極-發(fā)射極電壓）。

　　比較器通常都不進(jìn)行頻率補(bǔ)償功能，因此其工作速度相當(dāng)高，同時(shí)開關(guān)時(shí)間也在某程度上取決于 “過驅(qū)”的程度。圖1表示出當(dāng)衡量一個(gè)輸出狀態(tài)變化時(shí)的差分輸入電壓。從圖中可看出過驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進(jìn)行工作。一般來說，較大的過驅(qū)可加快開關(guān)時(shí)間。

　　比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來分類，例如：

　　圖1 輸入過驅(qū)和相關(guān)的傳播延遲消散

　　·通用比較器；

　　·高速比較器（傳播延遲少于50毫微秒）；

　　·低壓比較器（電源電壓VCC低于5V）；

　　·微功率比較器（靜態(tài)電流低于20微安）；

　　·集成參考的比較器。

　　比較器的特性取決于其類別，分別為：

　　·傳播延遲—由施加一個(gè)差分信號(hào)與切換狀態(tài)的輸出級(jí)之間的時(shí)間延遲 （例如是50%）。

　　·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開關(guān)電壓和高到低開關(guān)電壓之間的設(shè)計(jì)預(yù)算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。

　　·上升及下降時(shí)間—一般是輸出電壓的10%至90%的時(shí)間，并且上升和下降緣的時(shí)間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會(huì)導(dǎo)致輸出的周期時(shí)間會(huì)相對于輸入信號(hào)而改變。

　　·觸發(fā)率—指在某一個(gè)頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來變化。

　　·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

　　·抖動(dòng)—可以是隨機(jī)或事前決定，負(fù)責(zé)量度信號(hào)緣在時(shí)間上的不定性。

　　將運(yùn)算放大器作為比較器使用

　　由于運(yùn)算放大器一般都是雙路/四路的配置，用戶可以考慮將多出來的放大器做為比較器來用。如前所述，此時(shí)有不少地方需注意。首先，時(shí)間選擇很關(guān)鍵。當(dāng)把運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，其本身的增益帶寬乘積、群延遲和壓擺率等參數(shù)很可能會(huì)因內(nèi)部頻率補(bǔ)償和飽和效應(yīng)而誤產(chǎn)生變化。對于優(yōu)化的單器件來說，這種應(yīng)用不失為一種經(jīng)濟(jì)增值方案。可是，對于比較復(fù)雜和可能阻礙性能發(fā)揮的四路器件來說，這種方案不但所占的空間較多，而且需要花費(fèi)更多時(shí)間測試和調(diào)試以確

　　保運(yùn)算放大器的特性能夠配合。運(yùn)放用作比較器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

　　·細(xì)閱數(shù)據(jù)表上敘述的運(yùn)放拓?fù)浜吞崾?a target="_blank">信息。

　　·注意源阻抗、共模輸入范圍和差分輸入范圍。

　　·放大器在過驅(qū)時(shí)的開關(guān)速度并計(jì)劃為這參數(shù)進(jìn)行大型擴(kuò)展。

　　·注意溫度變化帶來的影響。

　　·通過檢查負(fù)載阻抗、電源水平和電路的穩(wěn)定性來確保輸出已正確地連接到下一級(jí)。

　　·小心處理電路的設(shè)計(jì)和布局，例如即使只有很微量的輸出通過分布電容和/或高輸入阻抗被正反饋引入到輸入端，都有可能引起振蕩。

現(xiàn)代高速比較器

　　現(xiàn)今業(yè)界常用的比較器大多數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的，可為系統(tǒng)帶來增值效益。最普遍的比較器應(yīng)用類別是電平平移。現(xiàn)今，TTL和CMOS邏輯電平均已被廣泛采用。對于高速應(yīng)用而言，還可采用ECL（發(fā)射極耦合邏輯）、RSPECL（擺幅削減正發(fā)射極耦合邏輯）或LVDS（低壓差分信號(hào)）。當(dāng)需要從電纜和線路連接IC和FPGA，或在背板內(nèi)的信號(hào)速度處于由每秒數(shù)百兆位至數(shù)千兆位的高速范圍時(shí)，上述方案便會(huì)成為首選。LMH7220和 LMH7322便是可用作為高速/超高速電平比較變換的高速比較器件。

　　圖2表示出一個(gè)LMH7322雙高速比較器，并且以ECL變換到RSPECL的轉(zhuǎn)換器方式實(shí)現(xiàn)。ECL高速邏輯已經(jīng)沿用了很多年，尤其是供軍事或測量用以及工業(yè)用的高檔設(shè)置，而且它們屬于負(fù)電壓電平參考信號(hào)（-5.2V接地），難以連接到其它分離電源或單電源系統(tǒng)。幸而，LMH7322不單可有效解決上述的問題，與此同時(shí)比較起一般的邏輯電平移位器，它可提供給設(shè)計(jì)人員更大的自由度。該比較器在輸入和輸出電路上擁有不同的電源引腳，而其電源可以是由2.7V至12V的單一電源，又或是由±6V至±1.35V的分離電源。器件在輸入時(shí)的共模范圍可超出最低的電源電平200mV，從而令能在如此低的輸入信號(hào)電平下感測到細(xì)微的信號(hào)。在高邊上，共模范圍受到1.5V的VCCI的限制，但需配合2.7V的VCCI和VCCO，還是有可能在輸出上提供PECL邏輯電平。

　　圖2 ECL 到 RSPECL 的電平變換

　　假如典型的上升和下降時(shí)間為160ps，而典型的傳播延遲則為700ps，那便可促使該比較器為高速至每秒數(shù)千兆位的信號(hào)進(jìn)行緩沖和電平平移，從而使電路適合應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)、時(shí)移、緩沖，或是來自電纜或背板的信號(hào)恢復(fù)。一個(gè)可調(diào)節(jié)的滯后可通過HYST引腳來施行，這做法對于失真信號(hào)或DC耦合線路或移動(dòng)緩慢的信號(hào)來說最為受用，因?yàn)檫@可避免出現(xiàn)不必要的開關(guān)和觸發(fā)。圖2中的應(yīng)用電路表示出輸入VCCI信號(hào)是處于系統(tǒng)接地電平，而VCCO電平和VEE電平則分別處于+5V和-5.2V（這便是ECL驅(qū)動(dòng)器負(fù)電源電平）。此外，輸出電壓將可符合RSPECL的規(guī)格。同一個(gè)器件可以用來介接到其他的邏輯電平，只需稍為調(diào)節(jié)VCCI和VCCO及VEE電壓電平便可。加入例如是50W的適當(dāng)線路端接是有可能的，圖3所示為一基本端接例子。

　　圖3中的差分輸出以一個(gè)跟隨著電源電流的發(fā)射極來實(shí)現(xiàn)，并且確保兩個(gè)輸出引腳之間的擺幅差別有400mV。假如這里采用有源端接，那電壓便會(huì)低于VCCO電平2V，否則每當(dāng)端接到芯片的最負(fù)電源時(shí)，便需計(jì)算出正確的負(fù)載電阻。

　　圖3 LMH7322的輸出線路端接例子

　　此外，上升/下降時(shí)間或帶有消散的傳播延遲等參數(shù)均需要慎重考慮，而且它們不是全部都被規(guī)定。消散可以因共模、過驅(qū)和壓擺率的變化而引致，從而影響傳播延遲、工作周期和抖動(dòng)。以LMH7322為例，過驅(qū)消散或比較20mV至1V過驅(qū)的變化為75ps，在這情況下會(huì)大概增加本身的傳播延遲約10%。

一個(gè) “新類別”—精度比較器

　　一般比較器都有約10mV或更大的輸入失調(diào)電壓。精度型比較器的優(yōu)點(diǎn)很明顯，因?yàn)樗杀容^微弱信號(hào)。迄今為止，仍有人采用運(yùn)算放大器作為比較器，就是因?yàn)橐话愕谋容^器不具有足夠的精度。在電池電量監(jiān)測應(yīng)用中，當(dāng)充電/放電的電壓梯度相對平坦時(shí)，便可采用這些參數(shù)。其他特色功能包括低功耗、高精度，及可調(diào)整的檢測閾值。

　　圖4 具備”低電荷”狀態(tài)顯示的電池監(jiān)視器

　　圖4是采用LMP7300的電池電壓監(jiān)視器，該器件具有集成式高精度電壓參考的微功率比較器。該電路的電池泄漏電流極小，典型為10mA的典型靜態(tài)電流，并且擁有2.5V至12V的寬闊電壓范圍，它可在高邊（電源線路）感應(yīng)電流和具備有一個(gè)2.048V 55ppm的電壓參考和通過兩根引腳完成的可調(diào)節(jié)滯后。開漏輸出能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED或觸發(fā)一個(gè)微控制器的輸入邏輯引腳。在圖4中，R1和R2會(huì)為達(dá)到低的靜態(tài)電流而設(shè)置成高阻抗。假如要觸發(fā)一個(gè)低電池條件，那下列的公式1和2便可用來決定R1的數(shù)值：

　　 （1）

　　那么，如果

　　 （2）

　　若R2已知（例如是1MW），Vref 為2.048V，Vbatt應(yīng)該是2.7V

　　 （3）

　　190W和5mF的RC組合對于緩沖參考是很重要，因?yàn)檫@組合具有大約1mA的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和它可改善線路的調(diào)節(jié)能力。

　　圖5 非對稱滯后的典型配置

　　圖5表示出可用來提供非對稱滯后的內(nèi)部參考和四個(gè)外部電阻器。電路中的跳變點(diǎn)可用下式4和5計(jì)算出來，至于滯后輸入電壓和電流范圍以及參考負(fù)載電流數(shù)值則可從數(shù)據(jù)表中找到，但這些數(shù)值可能會(huì)限制了真正的電阻值范圍和比率。

　　結(jié)語

　　如今，比較器是業(yè)界應(yīng)用極其廣泛的標(biāo)準(zhǔn)元件。比較器具有外部滯后、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項(xiàng)功能和特性。此外，對比較器的傳播延遲、消散、觸發(fā)率或精準(zhǔn)失調(diào)等關(guān)鍵參數(shù)可以滿足一系列高性能應(yīng)用的需求，例如電平平移、電源監(jiān)測、時(shí)鐘/數(shù)據(jù)緩沖以及接收和觸發(fā)等。雖然運(yùn)算放大器也可用作比較器，但在應(yīng)用時(shí)需要加倍小心才能確保器件的正常工作。