為什么將運算放大器用作比較器時會造成低速度？資料下載

摘要

比較器是一種帶有反相和同相兩個輸入端以及一個輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間。運算放大器同樣如此。乍看似乎可以互換，實際上，兩者之間還是存在一些重要差異…

?比較器用于開環(huán)系統(tǒng)，旨在從其輸出端驅(qū)動邏輯電路，以及在高速條件下工作，通常比較穩(wěn)定。

?運算放大器過驅(qū)時可能會飽和，使得恢復速度相對較慢。施加較大差分電壓時，很多運算放大器的輸入級都會出現(xiàn)異常表現(xiàn)，實際上，

運算放大器的差分輸入電壓范圍通常存在限制。運算放大器輸出也很少兼容邏輯電路。

但是仍有很多人試圖將運算放大器用作比較器。這種做法在低速和低分辨率時或許可行，但是大多數(shù)情況下結(jié)果并不理想。今天就給大家說說這“結(jié)果并不理想”的原因~

速度不同

大多數(shù)比較器速度都很快，不過很多運算放大器速度也很快。

為什么將運算放大器用作比較器時會造成低速度呢？

比較器用于大差分輸入電壓，而運算放大器工作時，差分輸入電壓一般會在負反饋的作用下降至最低。當運算放大器過驅(qū)時，有時僅幾毫伏也可能導致過載，其中有些放大級可能發(fā)生飽和。這種情況下，器件需要相對較長的時間從飽和中恢復，因此，如果發(fā)生飽和，其速度將比始終不飽和時慢得多(參見圖1)。

圖1：放大器用作比較器時的放大器速度飽和效應

過驅(qū)運算放大器的飽和恢復時間很可能遠遠超過放大器的正常群延遲，并且通常取決于過驅(qū)量。由于僅有少數(shù)運算放大器明確規(guī)定從不同程度過驅(qū)狀態(tài)恢復所需的時間，因此，一般說來，有必要根據(jù)特定應用的具體過驅(qū)情況，通過實驗確定放大器的特性。

對這類實驗的結(jié)果應持謹慎態(tài)度，通過比較器(運算放大器)的傳播延遲值(用于最差條件下的設計計算)應至少為所有實驗中最差值的兩倍。

輸出作用不同

比較器的輸出端用于驅(qū)動特定邏輯電路系列，運算放大器的輸出端則用于在供電軌之間擺動。

通常，運算放大器比較器驅(qū)動的邏輯電路不會共用運算放大器的電源，運算放大器軌到軌擺動可能會超出邏輯供電軌，很可能會破壞邏輯電路，引起短路后還可能會破壞運算放大器。

有三種邏輯電路必須考慮，即ECL、TTL和CMOS——

ECL是一種極快的電流導引邏輯系列?；谏鲜鲈?，當應用中涉及ECL的最高速度時，運算放大器不太可能會用作比較器，因此，通常只需注意從運算放大器的信號擺幅驅(qū)動 ECL邏輯電平，因雜散電容造成的額外速度損失并不重要。只需采用三個電阻即可，如圖 2所示。

圖2：驅(qū)動ECL邏輯電路的運算放大器比較器

圖中選用了R1、R2和R3，當運算放大器輸出為正值時，柵級電平為–0.8 V，當輸出較低 時，柵級電平為–1.6 V。ECL有時候采用正電源而不是負電源(即另外一個供電軌接地)，采用的基本接口電路相同，但是數(shù)值必須重新計算。

雖然CMOS和TTL輸入結(jié)構(gòu)、邏輯電平和電流差別很大(盡管有些CMOS明確規(guī)定可以采用 TTL輸入電平工作)，但由于這兩種邏輯電路都在邏輯0(接近0 V)和邏輯1(接近5 V)時工作，因此非常適合采用相同的接口電路。

圖3：驅(qū)動TTL或CMOS邏輯電路的運算放大器比較器

最簡單的接口采用單個N溝道MOS晶體管和一個上拉電阻RL，如圖3所示。用NPN晶體管、RL ，外加一個晶體管和二極管也可以組成類似的電路。這些電路簡單、廉價且可靠，還可以連接多個并聯(lián)晶體管和一個RL ，實現(xiàn)“線或”功能，但是0-1轉(zhuǎn)換的速度取決于RL 值和輸出節(jié)點的雜散電容。RL 值越低，速度越快，但是功耗也會隨之增加。通過采用兩個 MOS器件、一個P溝道和一個N溝道，可以組成一個只需兩個器件的CMOS/TTL接口，每種狀態(tài)下都沒有靜態(tài)功耗(參見圖4)。

圖4：內(nèi)置CMOS驅(qū)動器的運算放大器比較器

此外，只需改變器件的位置，就可以設置成反相或同相。但是，當兩個器件同時打開時，開關(guān)過程中勢必會產(chǎn)生較大的浪涌電流，除非采用集成高通道電阻的MOS器件，否則就可能需要使用限流電阻來減小浪涌電流的影響。該圖和圖3中的應用所采用的MOS器件柵源擊穿電壓VBGS在每個方向都必須大于比較器的輸出電壓。MOS器件中常見的柵源擊穿電壓值VBGS > ±25 V，這一數(shù)值通常綽綽有余，但是很多MOS器件內(nèi)置柵級保護二極管，會減小這一數(shù)值，所以這些器件不應采用。

輸入考慮因素

對于用作比較器的運算放大器，還需考慮與其輸入相關(guān)的多種影響因素。工程師對所有運算放大器和比較器做出的第一級假設是：它們具有無窮大的輸入阻抗，并且可視為開路(電流反饋(跨導)運算放大器除外，這種運算放大器同相輸入端具有高阻抗，但反相輸入端只有幾十歐姆的低阻抗)。

但是很多運算放大器(尤其是偏置補償型運算放大器，如OP-07及其很多后繼產(chǎn)品)都內(nèi)置保護電路，以防止大電壓損壞輸入器件。

其它運算放大器則內(nèi)置更復雜的輸入電路，在施加的差分電壓小于幾十毫伏時只具有高阻抗，或者在差分電壓大于幾十伏時可能會損壞。因此，將運算放大器用作比較器時，如果施加大差分電壓，必須仔細研究數(shù)據(jù)手冊，才能確定輸入電路的工作方式。**(采用集成電路時，務必研究數(shù)據(jù)手冊，確保其非理想特性(每個集成電路都存在一些非理想特性)兼容推薦的應用——本文中這點尤為重要。)**圖5所示為內(nèi)置防止大差分電壓輸入二極管的運算放大器。

圖5：具有保護功能的運算放大器輸入結(jié)構(gòu)

當然，有一些比較器應用不存在大差分電壓，即使存在，比較器輸入阻抗相對而言也不太重要。這種情況適合將運算放大器用作比較器，其輸入電路表現(xiàn)為非線性，但是涉及的問題必須考慮，不能忽視。

對BIFET運算放大器而言，如果其輸入接近其中一個電源(通常為負電源)，幾乎都會表現(xiàn)異常。其反相和同相輸入可以互換。如果運算放大器用作比較器時發(fā)生這種情況，涉及的系統(tǒng)相位將會反轉(zhuǎn)，造成極大不便。要解決這一問題，還是必須仔細閱讀數(shù)據(jù)手冊，確定合適的共模范圍。

而且，沒有負反饋意味著與運算放大器電路不同，輸入阻抗不必乘以開環(huán)增益。因此，輸入電流會隨著比較器開關(guān)而變化。因此，驅(qū)動阻抗和寄生反饋對影響電路穩(wěn)定性起著重要作用。負反饋往往會使放大器保持在線性區(qū)域內(nèi)，正反饋則會使其飽和。

最后的建議

運算放大器設計的目的不是用作比較器，因此，不太建議這種做法。盡管如此，在某些應用中，將運算放大器用作比較器卻是正確的設計決策，關(guān)鍵是要慎重考慮后再做出決策，并確保所選運算放大器能達到預期的性能。因此，必須仔細閱讀數(shù)據(jù)手冊，認真考慮非理想運算放大器性能的影響，并計算出運算放大器參數(shù)對應用的影響。由于運算放大器以非標準方式使用，可能還必須進行某些實驗——實驗所用的放大器不一定具有典型性，因此，解讀實驗結(jié)果時不宜過于樂觀。

來源：ADI

(mbbeetchina)