比較器和運放的區(qū)別(共19頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1、什么是電壓比較器 簡單地說， 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小(也有兩個數(shù)字電壓比較的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(這是個單電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖1(b)所示。在時間0t1時，VA>VB；在t1t2時，VB>VA；在t2t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和

2、輸出)；VB>VA時，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。 如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關(guān)。圖2(a)是雙電源(正負(fù)電源)供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VB>VA時，Vout輸出飽和負(fù)電壓。 如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖3(b)所示

3、，它一般用作過零檢測。 比較器的工作原理 比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。 圖4(a)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于

4、R1、R2短路)，R3=RF=(相當(dāng)于R3、RF開路)時，Vout=。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖4(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。 從圖4中可以看出，比較器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。 同相放大器電路如圖5所示。如果圖5中RF=，R1=0時，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當(dāng)于圖3(b)中的VA。 2、比較器與運放的差別 運放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，

5、共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應(yīng)速度更快)。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負(fù)載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些比較器為互補輸出，無需上拉電阻。 這里順便要指出的是，比較器電路本身也有技術(shù)指標(biāo)要求，如精度、響應(yīng)速度、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數(shù)與運放的參數(shù)相同。在要求不高時可采用通用運放來作比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密比較器電路。由于比較器與運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，其大部分參數(shù)(電特性參數(shù))與運放的參數(shù)項基本一樣(如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等)。1.最主要的區(qū)別是輸出結(jié)構(gòu)。比

6、較器往往是集電極開路輸出，這樣可以多個比較器的輸出并聯(lián)，構(gòu)成與門，這叫“線與”。而運放通常是推挽輸出，輸出端不能并聯(lián)。2.比較器的輸出要加上拉電阻，運放的輸出不需要加。3.比較器工作在開環(huán)或者正反饋狀態(tài)，一般不會自激。運放工作一般工作在負(fù)反饋狀態(tài)，而開環(huán)或正反饋的時候需要加補償電路，否則容易自激。4.精密運放的開環(huán)增益很高，120dB左右。普通運放和比較器則不是很高，60dB左右。5.運放工作一般工作在線性狀態(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它非線性失真比較小。比較器工作在開關(guān)狀態(tài)，如果用做線性放大的話，不能保證失真度。冰  查看文章 運放與比較器的區(qū)別2009-06-04 09

7、:32運算放大器和比較器如出一轍，簡單的講，比較器就是運放的開環(huán)應(yīng)用，但比較器的設(shè)計是針對電壓門限比較而用的，要求的比較門限精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時間要短，輸出符合TTL/CMOS電平/或OC等，不要求中間環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度，同時驅(qū)動能力也不一樣。一般情況：用運放做比較器，多數(shù)達(dá)不到滿幅輸出，或比較后的邊沿時間過長，因此設(shè)計中少用運放做比較器為佳。運放和比較器的區(qū)別                   

8、                        比較器和運放雖然在電路圖上符號相同，但這兩種器件確有非常大的區(qū)別，一般不可以互換，區(qū)別如下: 1、比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns數(shù)量級，而運放翻轉(zhuǎn)速度一般為us數(shù)量級(特殊的高速運放除外)。 2、運放可以接入負(fù)反饋電路，而比較器則不能使用負(fù)反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個輸入端，但因為其內(nèi)部沒有相位補償電路，所以，如果

9、接入負(fù)反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無相位補償電路，這也是比較器比運放速度快很多的主要原因。 3、運放輸出級一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)比較器輸出級為集電極開路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接。補充:比較器工作在非線性條件下,強(qiáng)調(diào)的是翻轉(zhuǎn)速度,放大器用于放大,比較注重的是線性.當(dāng)用比較器作放大時會發(fā)現(xiàn)放大輸出失真,即使放大負(fù)反饋較深也非常明顯,而用運放做比較器時,會發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)速度不夠.運放可以做比較器，同時也可以作為放大器，比較器只能做比較器。比較器在最常用的簡單集成電路中排名第二，僅次于排名第一的運算放大器。在各類出版物中可以經(jīng)常看到運算放大器的理論，關(guān)于運算放大器

10、的設(shè)計和使用方法的圖書也非常多，可是我們卻很難找到關(guān)于比較器的理論研究，究其原因，比較器本身功能十分簡單，只用于比較電壓，然后根據(jù)比較結(jié)果，把輸出電壓設(shè)定在數(shù)字低態(tài)或高態(tài)。很多人認(rèn)為比較器類似于沒有反饋引腳的運算放大器，真實情況并不是這樣，當(dāng)使用比較器防止負(fù)面的意外事件時，我們應(yīng)該了解更多的技術(shù)背景知識。比較器可以用運算放大器代替嗎嗎？a) 過零比較器                    

11、60;                           b) 電壓傳輸特性在開環(huán)或高增益配置中用運算放大器代替比較器是十分常見的，雖然最好是使用專門優(yōu)化的比較器，但是用運算放大器代替比較器也是可以的。運算放大器是一種為在負(fù)反饋條件下工作設(shè)計的電子器件，設(shè)計重點是保證這種配置的穩(wěn)定性，壓擺率和最大帶寬等其它參數(shù)是放大器在功耗與架構(gòu)之間的

12、折衷選擇；相反，比較器是為無負(fù)反饋的開環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)工作設(shè)計的，這些器件通常不是通過內(nèi)部補償?shù)?，因此速度即傳播延遲以及壓擺率（上升和下降時間）在比較器上得到了最大化，總體增益通常也比較小。用運算放大器代替比較器不會使性能得到優(yōu)化，而且功耗速度比將會很低。如果反過來，用比較器代替運算放大器，情況則會更壞。通常情況下比較器不能代替運算放大器，在負(fù)反饋條件下，比較器很可能會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況?？傊?，我們可以說，比較器和運算放大器是不能互換的，低性能設(shè)計除外。TS302x 軌對軌高速比較器產(chǎn)品描述ST 最近新推出一系列軌對軌高速比較器：單比較器TS3021 和雙速比較器TS3022。在既需要低電流消耗又需

13、要快速信號響應(yīng)的應(yīng)用中，如便攜通信系統(tǒng)或高速采樣系統(tǒng)，TS302x 的特性深受市場歡迎。TS320x 系列產(chǎn)品采用雙極晶體管和MOS 晶體管兩種技術(shù)，其最大特點是功耗低、響應(yīng)速度快，典型功耗達(dá)到（每個比較器）64µA，典型響應(yīng)速度33ns，在0到+125民用工作溫度范圍內(nèi)，工作電壓范圍1.8V 到5V；在-40到+125工業(yè)工作溫度范圍內(nèi)，工作電壓范圍2V 到5V；TS302x 還提供最高200mA 的閂鎖保護(hù)功能和高達(dá)2kV 的ESD 保護(hù)功能。單比較器TS3021 采用SOT23 -5 和SC70-5 封裝，而雙比較器TS3022 則采用SO-8 和MiniSO-8 封裝。比較器

14、輸出0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.000.050.100.150.20VCC= 5V ,output LOWVOUT (V)ISOURCE (mA)+125oC-40oC+25oC                              

15、                         a)電路圖                         

16、                 b)傳輸特性圖1: TS302x 輸出電壓對輸出電流因為一個比較器只有兩個輸出狀態(tài)（高和低），輸出電壓接近零壓或電源電壓，雙極晶體R2R（軌對軌）比較器有一個在輸出與每條軌之間產(chǎn)生很低電壓降的共發(fā)射極輸出，這個電壓降等于飽和晶體管的集電極-發(fā)射極的輸出電壓。當(dāng)輸出電流很小時，CMOS 軌對軌比較器的輸出電壓取決于飽和MOS 晶體管，其電壓范圍比雙極晶體管比較器更接近軌電壓。TS302x 系列是軌對軌輸出

17、的比較器，推挽式輸出提供接近電源電壓的輸出電壓，灌入電流和+5V 電源電壓產(chǎn)生的電壓降通常是40mV，CMOS 輸出級也能提供足夠的輸出電流，當(dāng)輸出電壓很低時，短路輸出電流62mA，當(dāng)輸出電壓很高時，短路輸出電流47mA。比較器輸入TS302x輸入可以處理-0.2V到VCC +0.2V共模電壓范圍(VICM )內(nèi)的輸入信號，實現(xiàn)方法是把比較器輸入級分成兩對差分輸入晶體管。當(dāng)輸入電壓VIN低于約1.1V的VCC 時，雙極晶體管輸入級開始工作。如果輸入電壓VIN高于約1.1V的VCC ，CMOS輸入級處理信號。因為這個原因，TS302x有略微不同的傳播延遲和輸入失調(diào)電流，大小取決于VICM 。輸入

18、共模電壓范圍(Vicm)是異相和同相輸入引腳上的平均電壓，如果共模電壓太高或太低，輸入將會被關(guān)閉，比較器的正常工作將不能得到保證。對于正常工作，兩個輸入信號都不得超出共模電壓范圍。輸入失調(diào)電流對于低輸入共模電壓(Vicm)，在25的典型溫度下，TS302x輸入偏流約80 mA。如果Vicm電壓高于Vcc-1V，CMOS輸入級獲得控制權(quán)，輸入偏流降到極低的數(shù)值，如幾個微微安。輸入偏流IIB是兩個輸入電流的平均值：IIB= (IP+IN)/2。異相和同相輸入引腳上的偏流之間的差叫做輸入失調(diào)電流IIO= IP- IN。輸入失調(diào)電流通常比輸入偏流小很多。典型情況下，TS302x的IIO=1mA，IIB

19、= 80mA。3-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-300-250-200-150-100-50050100IIN-125oC IIN+125oCIIN- 25oC IIN+25oCIIN-40oC IIN+-40oCInput bias current (nA)Iinput diferential voltage (mV)VCC= 5VVICM= 0V圖2：TS302x 輸入偏流對差分電壓傳播延遲傳播延遲對于很多應(yīng)用都是一個關(guān)鍵參數(shù)，傳播延遲是指輸入信號跨過臨界點的時間和比較器輸出的實際轉(zhuǎn)換時間之間的時間差。為了測量傳播延遲TP，也稱作響應(yīng)時間，在輸

20、入引腳上施加一個方波信號。這個輸入信號的振幅被稱為過驅(qū)動電壓參數(shù)，對輸出信號延遲影響很大，如圖4 所示。傳播延遲大小與輸入共模電壓(VICM)有關(guān)，以TS302x 為例，傳播延遲主要與在不同輸入電壓下工作的兩對輸入差分晶體管有關(guān)。每對晶體管都有自己的傳播延遲(TP)。圖3: 傳播延遲的定義與測量0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11030405060708090TPHLVICM= VCCPropagtion delay (nS)Overdrive voltage (mV)TPLHVICM= VCCTPLHVICM= 0VTPHLVICM= 0VVCC= 5VTe

21、mp. = 25oC圖4: TS302x 傳播延遲對過驅(qū)動電壓100mVVINVVOUTV0VOV t ust usVREF½ VCCTPLH4如圖3所示，在上升沿(TPLH)上測量傳播延遲時，輸入信號從比較電壓VREF下面的100mV開始，然后上升到VREF + VOV電壓處，其中VOV 叫做過驅(qū)動信號。對于下降沿(TPHL)測量，情況與上升沿相反：輸入信號從VREF+100mV 開始，下降到VREF- VOV。例如，在測量TPLH 時，如果VOV= 20mV，VREF= 2.5V，則輸入方波信號的高電平=2.52V，低電平=2.4V，分別對應(yīng)VREF + VOV 和VREF 10

22、0mV。了解過驅(qū)動(VOV)參數(shù)的準(zhǔn)確含義非常重要。某些制造商使用對稱輸入信號變化，例如，從-20mV到+20mV的電壓變化。相反的方法是施加一個100mV到+20mV的輸入電壓變化，不同的測量方法對測量結(jié)果有積極的影響，因為測量結(jié)果顯示傳播延遲降低了，低過驅(qū)動輸入電壓就是這種情況。當(dāng)使用對稱信號時，在相同的過驅(qū)動電壓(VOV)下，從傳播延遲角度(Tp)看，TS302x比較器的響應(yīng)速度似乎比競爭品牌更快。輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓(VIO)是比較器分辨率的限制因素。對于在輸入失調(diào)電壓范圍內(nèi)的輸入信號，比較器可能會轉(zhuǎn)換到不同的輸出值，或根本不轉(zhuǎn)換。我們舉例說明。例如，把一個5mV的峰值到峰值振幅信

23、號施加到一個輸入失調(diào)電壓(VIO)6mV的比較器上，當(dāng)VIO偶然是零時，可以在輸出引腳上發(fā)現(xiàn)一個理想的恢復(fù)信號。相反，如果VIO是4mV，信號雖然也會被恢復(fù)，但是輸出方波將擁有一個錯誤的占空比。如果比較器的VIO高于5mV，比較器的輸出將會保持高態(tài)或低態(tài)。因此，恢復(fù)操作將會失敗，信號就會丟失。在整個VICM范圍內(nèi)和-40到125區(qū)間，TS302x的VIO 典型值是0.5mV，最大值是8mV。輸入失調(diào)電壓的平均溫度系數(shù)VIO規(guī)定了在溫度變化范圍內(nèi)預(yù)計的輸入失調(diào)漂移，單位是µV/，其中VIO IO是D是在-40到125溫度范圍內(nèi)測量到的輸入失調(diào)電壓數(shù)值，而V dVIO/ dT的計算結(jié)果。

24、典型的失調(diào)電壓漂移是3µV/，最大值是20µV/。圖5所示是兩個不同的輸入共模電壓下的兩條輸入失調(diào)電壓對溫度特性曲線，一條曲線代表低輸入共模電壓(VICM = 0V)時雙極晶體管輸入級的VIO漂移，另一條曲線代表高輸入共模電壓(VICM = VCC)時CMOS輸入級性能。-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 1400.00.51.01.52.02.53.0Vio(mV)Temperature (°C)VVICM= 0VVICM= 5VVCC = 5V圖5：輸入失調(diào)電壓對溫度特性曲線CMRR 和SVR共模抑制比(CMRR)描述了輸入失調(diào)

25、電壓VIO 與輸入共模電壓VICM 之間的關(guān)系。共模抑制比被定義為VIO 與VICM的變化比，大多數(shù)情況下用對數(shù)比例表示。CMRR dB = 20x Log (DVICM /DVIO)在不同的輸入共模電壓(0V 和VCC)下測量兩個輸入失調(diào)電壓值，然后用這兩個值計算CMRR。對于TS302x 系列比較器，當(dāng)電源電壓VCC= 2V 時，CMRR 典型值是67dB；當(dāng)電源電壓VCC= 5V 時，CMRR 是72dB。電源電壓抑制比(SVR)是另一個描述了輸入失調(diào)電壓VIO 與電源電壓之間關(guān)系的重要參數(shù)，修改電源電壓會或多或少影響輸入差分晶體管對的偏流，這表明輸入失調(diào)電壓也將要進(jìn)行細(xì)微的修改，電源電

26、壓抑制比SVR 是測量這種影響大小的方法。SVR dB = 20x Log (DVCC /DVIO)在VCC= 2V 到VCC= 5V 的電源電壓變化范圍內(nèi)，TS302x 的SVR 典型值是69dB?？焖俦容^器原理和印刷電路板設(shè)計比較器是性能非常強(qiáng)大的用途很廣的電子器件，不過，應(yīng)用設(shè)計工程師必須檢查正常工作所需的特殊標(biāo)準(zhǔn)，所有的基本原則對于高速器件都是通用的，但是，比較器可能是這些器件中最靈敏的產(chǎn)品。任何高速比較器實現(xiàn)最好的性能必須具有正確的產(chǎn)品設(shè)計和合理的印刷電路布局，輸入或地線上的大電容可能會限制高速電路發(fā)揮最大的性能，為了最大限度縮短完整電路的傳播延遲，就必須最大限度減少從信號源到比較器

27、輸入引腳的線路電阻。信號源電阻以及輸入電容和寄生電容構(gòu)成一個阻容濾波器，這個濾波器會延長輸入引腳上的電壓轉(zhuǎn)換時間，并降低高頻信號的振幅。在輸出轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)比較器開關(guān)轉(zhuǎn)換時，電源電流可能會達(dá)到很高，峰值電流可能會在電源線路上產(chǎn)生電壓降和噪聲。因此，采用旁通電容器來確保電源阻抗很低是非常重要的。旁通電容器可以給比較器提供局部能量，從而彌補在開關(guān)過程中不斷增加的功耗需求。最佳的選擇是采用幾個電容值不同的電容器，通常情況下，一個100nF的陶瓷電容并聯(lián)一個1uF電容對于TS302x系列產(chǎn)品是一個最佳的選擇。1uF電容對線路紋波起到緩沖作用，而100nF電容在比較器開關(guān)操作時提供電能。電容器特別是10

28、0nF電容應(yīng)盡可能安裝在比較器電源引腳的附近。在高速電路中，快速瞬變會在線路上產(chǎn)生電壓變化，在DC模式下也可能出現(xiàn)相同的情況。為了降低這種影響，我們通常使用一個接地面來減少電路內(nèi)可能出現(xiàn)的電壓變化。通過給電流提供一個更適合的通道，接地面有利于最大限度地降低電路板內(nèi)的寄生電容效應(yīng)。在接地面上覆一條高頻信號跡線，回流正好從信號線下返回。接地面斷路會提高接地面電感，使更高頻信號的處理效率變低。簡單的比較器配置圖6所示是采用一個比較器的基本電路。輸入信號施加在同相引腳上。電阻R1和R2組成的分壓器設(shè)定使比較器改變狀態(tài)的閾壓和轉(zhuǎn)換點：VTH= Vcc * R1 / (R1+R2)。61uF100nF10

29、0nFR1R2OUTCC VIN V R1|R2圖6: 電壓比較器因為沒有反饋電路，從輸出漂移到輸入（通常是同相輸入）的電容或耦合到地線（同相輸入通常連接地線）的輸出電流，可能會導(dǎo)致比較器電路變得不穩(wěn)定。如果保持高阻抗節(jié)點，注意上文描述的電路板布局和接地設(shè)計，將有助于把這兩種耦合作用降到最低限度。如何增加滯后電路路？采用正反饋是增加滯后作用的一個常用而有效的解決辦法，正反饋具有分離上升和下降轉(zhuǎn)換點的作用，因此，一旦轉(zhuǎn)換操作開始后，輸入必須經(jīng)過一個很長的反向操作，才開始向相反方向轉(zhuǎn)換。當(dāng)處理含有少量重疊噪聲的慢速變化信號時，比較器通常會產(chǎn)生多個輸出變化或跳變，因為輸入信號會跨過或重新跨過閾壓區(qū)。

30、很多應(yīng)用特別是工業(yè)環(huán)境中有大量的噪聲信號，當(dāng)信號穿過閾壓區(qū)時，開路增益會把噪聲放大，引起輸出暫時跳變，這是大多數(shù)應(yīng)用無法接受的，為了防止這種振蕩，如有可能，應(yīng)對輸入信號進(jìn)行過濾。不過，如果引入了下面的滯后方法，通?？梢越鉀Q這個問題。100nFR2R1VINVOUTVCCVSS100nF圖7：含有外部滯后的反相比較器圖7所示是在雙電源下使用滯后方法。輸出-輸入電壓圖（圖8）描述了轉(zhuǎn)換點附近的情況。電阻R2通常比電阻R1大很多，如果R2無限大，將不會有滯后現(xiàn)象，比較器將在零壓下轉(zhuǎn)換。滯后大小是由輸出電平與R1/(R1+R2)電阻比來決定，轉(zhuǎn)換點電壓略微偏離零電壓:VT1= VSS * R1 / (R1+R2)；VT2= VCC * R1 / (R1+R2).7圖8: 滯后圖在單電源比較器配置中，參考電壓需要提高失調(diào)電壓，這樣電路就可以完全工作在第一象限內(nèi)。圖9描述了如何處理這種配置。電阻分壓器(R2以及R1)產(chǎn)生一個與輸入電壓比較的正參考電壓，這個電路也叫施密特觸發(fā)器。100nFR2R1VINVOUTVCCR3圖9：單電源的外部滯后電路下面是計算不同的直流閾壓的公式：VT1= VCC * R1| R3 /