比較器的合理選擇

摘要：本文說明比較器的特性、指標(biāo)以及比較器與運算放大器差異。其中包括內(nèi)置基準(zhǔn)的比較器應(yīng)用電路和利用雙比較器構(gòu)建窗檢測器、利用四比較器解決電壓或電流測量問題的電路。

長期以來，受運算放大器的影響，比較器的應(yīng)用一直沒有得到應(yīng)有的重視。直到目前隨著比較器性能指標(biāo)的改進(jìn)，使其更好地勝任電壓比較這一基本任務(wù)，這一狀況才得到改善，本文主要介紹新型比較器的性能及其典型應(yīng)用。

比較器的功能

比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進(jìn)制信號，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。從這一角度來看，也可以將比較器當(dāng)作一個1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

比較器與運算放大器

運算放大器在不加負(fù)反饋時，從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號。而且，在這種情況下，運算放大器的響應(yīng)時間比比較器慢許多，而且也缺少一些特殊功能，如：滯回、內(nèi)部基準(zhǔn)等。

比較器通常不能用作運算放大器，比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時間延遲，但其頻響特性受到一定限制，運算放大器正是利用了頻響修正這一優(yōu)勢而成為靈活多用的器件。另外，許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路，這避免了輸出振蕩，但同時也使其不能當(dāng)作運算放大器使用。

電源電壓

比較器與運算放大器工作在同樣的電源電壓，傳統(tǒng)的比較器需要±15V等雙電源供電或高達(dá)36V的單電源供電，這些產(chǎn)品在工業(yè)控制中仍有需求，許多廠商也仍在提供該類產(chǎn)品。

但是，從市場發(fā)展趨勢看，目前大多數(shù)應(yīng)用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內(nèi)，而且，比較器必須具有低電流、小封裝，有些應(yīng)用中還要求比較器具有關(guān)斷功能。例如：MAX919、MAX9119和MAX9019比較器可工作在1.6V或1.8V至5.5V電壓范圍內(nèi)，全溫范圍內(nèi)的最大吸入電流僅為1.2μA/1.5μA，采用SOT23、SC70封裝，類似的MAX965和MAX9100比較器工作電壓可低至1.6V，甚至1.0V，因而非常適合電池供電的便攜式產(chǎn)品，見表1。

表1. MAX9015-MAX9020選型指南

Part	Comparator(s)	Int. Reference (V)	Output	Supply Current (μA)
MAX9015A	1	1.236, ±1%	Push-pull	1
MAX9016A	1	1.236, ±1%	Open drain	1
MAX9017A	2	1.236, ±1%	Push-pull	1.2
MAX9017B	2	1.24, ±1.75%	Push-pull	1.2
MAX9018A	2	1.236, ±1%	Open drain	1.2
MAX9018B	2	1.24, ±1.75%	Open drain	1.2
MAX9019	2	-	Push-pull	0.85
MAX90120	2	-	Open drain	0.85

微型封裝比較器

納安級功耗比較器采用節(jié)省空間的晶片級封裝(UCSP)，電源電流低至1μA，例如：MAX9025-MAX9098系列產(chǎn)品，是超低功耗系統(tǒng)的理想選擇。采用5引腳SC70封裝的MAX9117-MAX9120單比較器系列產(chǎn)品，其電源電流低至600nA，提供兩種輸出供用戶選擇：推挽式或漏極開路，請參考表2。這些比較器非常適合2節(jié)電池的監(jiān)測/管理應(yīng)用。

表2. 微小封裝的比較器

Package	Part	Comparator(s)	Int. Reference	Output	Supply Current (μA)
6-UCSP	MAX9025	1		Push-pull	1.0
6-UCSP	MAX9026	1		Open drain	1.0
6-UCSP	MAX9027	1		Push-pull	0.6
6-UCSP	MAX9028	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9117	1		Push-pull	0.6
5-SC70	MAX9118	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9119	1		Push-pull	0.35
5-SC70	MAX9120	1		Open drain	0.35

比較器的性能指標(biāo)

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(dǎo)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。滯回電壓的存在使比較器的切換點變?yōu)閮蓚€：一個用于檢測上升電壓，一個用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門限(VTRIP+)與低電壓門限(VTRIP-)之差等于滯回電壓(VHYST)，滯回比較器的失調(diào)電壓(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。


圖1. 開關(guān)門限、滯回和失調(diào)電壓

不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點是輸入失調(diào)電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調(diào)電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比(PSRR)衡量這一影響，它表示標(biāo)稱電壓的變化對失調(diào)電壓的影響。

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(nèi)阻并流入比較器內(nèi)部，從而產(chǎn)生額外的壓差。偏置電流(IBIAS)定義為兩個比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。例如，MAX917、MAX9117系列比較器在整個工作溫度范圍內(nèi)的最大偏置電流僅為2nA，室溫下(TA = +25°C)偏置電流低于1nA，見表3。

表3. 低IBIAS

Part	IBIAS
MAX9025—MAX9028	1nA (max) @ TA = +25°C 2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX
MAX9117—MAX9120	1nA (max) @ TA = +25°C 2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX
MAX917	1nA (max) @ TA = +25°C 2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX

隨著低電壓應(yīng)用的普及，為進(jìn)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(jié)構(gòu)作為比較器的輸入級，從而使比較器的輸入電壓得以擴(kuò)展，可以比電源電壓高出250mV，因而達(dá)到了所謂的超電源擺幅標(biāo)準(zhǔn)。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。

比較器輸出

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，具有滿電源擺幅特性的比較器輸出級為射極跟隨器，這使得其輸出信號與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。CMOS滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的MOSFET，與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。

輸出延遲時間是選擇比較器的關(guān)鍵參數(shù)，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、MAX9010-MAX9013，其延遲時間的典型值分別達(dá)到4.5ns和5ns，上升時間為2.3ns和3ns (注意：傳輸延時的測量包含了上升時間)。設(shè)計時需注意不同因素對延遲時間的影響(圖2)，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過驅(qū)動等因素。對于反相輸入，傳輸延時用tPD-表示；對于同相輸入，傳輸延時用tPD+表示。TPD+與tPD-之差稱為偏差。電源電壓對傳輸延時也有較大影響。


圖2. 外部因素對傳輸延時的影響

有些應(yīng)用需要權(quán)衡比較器的速度與功耗，Maxim公司針對這一問題提供了多種芯片類型供選擇，其中包括從耗電800nA、延遲時間為30μs的MAX919到耗電6μA、延遲時間為540ns的MAX9075；耗電600μA、延遲時間為20ns的MAX998到耗電11mA、延遲時間為4.5ns的MAX961；從耗電350μA、傳輸延時25ns的MAX9107到耗電900μA、傳輸延時5ns的MAX9010最近推出的MAX9010 (SC70封裝)，其延遲時間低至5ns電源電流只有900μA，為產(chǎn)品設(shè)計提供了更多的選擇。

如需超高速、ECL或PECL輸出、延遲500ps的比較器，請參考MAX9600/MAX9601/MAX9602。

實際比較器

比較器通常用于比較一路輸入電壓和一路固定的電壓基準(zhǔn)，為滿足這種應(yīng)用需求，Maxim將基準(zhǔn)源與比較器集成在同一芯片內(nèi)，這樣不僅節(jié)省空間而且比外部基準(zhǔn)耗電少，如，MAX9117在全溫范圍內(nèi)的最大消耗電流只有1.3μA (包括內(nèi)部其準(zhǔn)源)?？紤]環(huán)境溫度的變化和基準(zhǔn)源的類型，集成基準(zhǔn)源的精度一般在1%至4%。對于精度要求較高的應(yīng)用，可以考慮選用MAX9040系列產(chǎn)品，其內(nèi)置基準(zhǔn)源的初始精度可以達(dá)到0.4%、最大溫度漂移為30ppm/°C。

雙比較器MAX9017/MAX9018 、MAX923、MAX933和漏極開路輸出的MAX973、MAX983非常適合窗比較器應(yīng)用，內(nèi)部基準(zhǔn)可以連接到這些比較器的同相輸入端或反相輸入端，利用三個外部電阻即可設(shè)置過壓、欠壓門限(圖1所示)。另外，這些芯片還含有滯回輸入引腳，該引腳外接兩個分壓電阻設(shè)置滯回電壓門限。為便于使用，有些比較器(例如：MAX912/MAX913)還提供互補輸出，即對應(yīng)于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。

快速延時(5mV過驅(qū)動時典型延遲時間1ms)使得MAX9201/MAX9203非常適合高速ADC和高速采樣電路，如：接收機、V/F轉(zhuǎn)換器及其它數(shù)據(jù)識別系統(tǒng)。

其它高速、低功耗比較器，例如：MAX9107/MAX9108/MAX9109，是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較器MAX907/MAX908/MAX909等的低成本升級產(chǎn)品。雙比較器，MAX9107，提供8引腳SOT23封裝；單比較器，MAX9109，采用節(jié)省空間的6引腳SC70封裝；四比較器，MAX9108，采用14引腳TSSOP封裝，見表4和圖3。

表4. 超高速比較器

Speed (ns)	Part	Comparator(s)	Supply Current (A)	Package
4.5	MAX999	1	5m	5-SOT23
4.5	MAX962	2	5m	8-μMAX
5	MAX9010	1	0.9m	6-SC70
5	MAX9011	1	0.9m	6-SOT23
5	MAX9012	2	0.9m	8-μMAX
5	MAX9013	1	0.9m	8-μMAX
7	MAX9201	4	4.7m	16-TSSOP
7	MAX9202	2	2.5m	14-TSSOP
7	MAX9203	1	1.3m	8-SOT23
8	MAX900	4	2.5m	20-SO
8	MAX901	4	2.5m	16-SO
8	MAX902	2	2.5m	14-SO
8	MAX903	1	2.5m	8-SO
10	MAX912	2	6m	16-SO
10	MAX913	1	6m	8-μMAX
25	MAX9107	2	350μ	8-SOT23
25	MAX9108	4	350μ	14-TSSOP
25	MAX9109	1	350μ	6-SC70
40	MAX9140	1	150μ	5-SC70
40	MAX9141	1	165μ	8-SOT23
40	MAX9142	2	150μ	8-SOT23
40	MAX9144	4	150μ	14-TSSOP
40	MAX907	2	700μ	8-SO
40	MAX908	4	700μ	14-SO

圖3. SC70封裝、具有最佳速度/功耗比的比較器選擇

應(yīng)用

這一部分介紹了三種比較器的典型應(yīng)用。

第1個例子是電平轉(zhuǎn)換器，可完成3V邏輯至5V邏輯的變換。如圖4所示，漏極開路輸出比較器，如MAX986，提供了一個極為簡捷的實現(xiàn)方案，同樣，如果比較器供電電壓允許(如MAX972)，也可實現(xiàn)±5V雙極性邏輯至3V單極性邏輯的電平轉(zhuǎn)換。具體應(yīng)用時應(yīng)注意輸入信號不要超出電源電壓的擺幅，流入輸出端的電流由大阻值的上拉電阻限制(參考MAX986數(shù)據(jù)資料的Absolute Maximum Ratings)。


圖4. 3V至5V電平轉(zhuǎn)換器

圖5電路解決了另一常見問題，該電路可將雙極性輸入(這里為正弦波)轉(zhuǎn)換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為：




圖5. 單極性比較器處理雙極性信號

兩個阻值相同的電阻(R4)將比較器切換檢測門限設(shè)置在電源電壓的一半。圖6所示是利用四個比較器構(gòu)成一個電流檢測電路，可用于指示輸入電流的四個范圍，旁路電阻用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，R1-R2用于設(shè)置運算放大器的增益，并為比較器提供所需要的基準(zhǔn)電壓。R4-R7用來設(shè)置不同數(shù)字輸出狀態(tài)所對應(yīng)的檢測門限。


圖6. 測量四個電流范圍的方案