比較器的合理選擇

長(cháng)期以來(lái)，受運算放大器的影響，比較器的應用一直沒(méi)有得到應有的重視。直到目前隨著(zhù)比較器性能指標的改進(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，當輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。從這一角度來(lái)看，也可以將比較器當作一個(gè)1位模/數轉換器(adc)。

比較器與運算放大器

運算放大器在不加負反饋時(shí)，從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開(kāi)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，運算放大器的響應時(shí)間比比較器慢許多，而且也缺少一些特殊功能，如：滯回、內部基準等。

比較器通常不能用作比較器，比較器經(jīng)過(guò)調節可以提供極小的時(shí)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部滯回電路，這避免了輸出振蕩，但同時(shí)也使其不能當作運算放大器使用。

電源電壓

比較器與運算放大器工作在同樣的電源電壓，傳統的比較器需要±15v等雙電源供電或高達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(chǎng)商也仍在提供該類(lèi)產(chǎn)品。

但是，從市場(chǎng)發(fā)展趨勢看，目前大多數應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，而且，比較器必須具有低電流、小封裝，有些應用中還要求比較器具有關(guān)斷功能。例如：max919比較器可工作在1.8v至5.5v電壓范圍內，全溫范圍內的最大吸入電流僅為1.2μa，采用sot23封裝，類(lèi)似的max965比較器工作電壓可低至1.6v，因而非常適用于電池供電的便攜式產(chǎn)品。

比較器的性能指標

比較器兩個(gè)輸入端之間的電壓在過(guò)零時(shí)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(dòng)電壓，這些波動(dòng)所產(chǎn)生的差模電壓會(huì )導致比較器輸出發(fā)生連續變化。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(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)：一個(gè)用于檢測上升電壓，一個(gè)用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門(mén)限(vtrip+)與低電壓門(mén)限(vtrip-)之差等于滯回電壓(vhyst)，滯回比較器的失調電壓(vos)是vtrip+和vtrip-的平均值。

不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點(diǎn)是輸入失調電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調電壓一般隨溫度、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，它表示標稱(chēng)電壓的變化對失調電壓的影響。

理想的比較器的輸入阻抗為無(wú)窮大，因此，理論上對輸入信號不產(chǎn)生影響，而實(shí)際比較器的輸入阻抗不可能做到無(wú)窮大，輸入端有電流經(jīng)過(guò)信號源內阻并流入比較器內部，從而產(chǎn)生額外的壓差。偏置電流(ibias)定義為兩個(gè)比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。例如，max917系列比較器的最大偏置電流僅為2na。

隨著(zhù)低電壓應用的普及，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，可以比電源電壓高出250mv，因而達到了所謂的超電源擺幅標準。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(gè)不同的輸出狀態(tài)，零電平或電源電壓，具有滿(mǎn)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(mǎn)擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的mosffet，與雙極型晶體管結構相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。 輸出延遲時(shí)間是選擇比較器的關(guān)鍵參數，延遲時(shí)間包括信號通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號的上升時(shí)間與下降時(shí)間，對于高速比較器，如max961，其延遲時(shí)間的典型值達到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns (注意：傳輸延時(shí)的測量包含了上升時(shí)間)。設計時(shí)需注意不同因素對延遲時(shí)間的影響(圖2)，其中包括溫度、容性負載、輸入過(guò)驅動(dòng)等因素。對于反相輸入，傳輸延時(shí)用tpd-表示；對于同相輸入，傳輸延時(shí)用tpd+表示。tpd+與tpd-之差稱(chēng)為偏差。電源電壓對傳輸延時(shí)也有較大影響。

有些應用需要權衡比較器的速度與功耗，maxim公司針對這一問(wèn)題提供了多種芯片類(lèi)型供選擇，其中包括從耗電800na、延遲時(shí)間為30μs的max919到耗電6μa、延遲時(shí)間為540ns的max9075；耗電600μa、延遲時(shí)間為20ns的max998到耗電11ma、延遲時(shí)間為4.5ns的max961；最近推出的max9010 (sc70封裝)，其延遲時(shí)間低至5ns電源電流只有900μa，為產(chǎn)品設計提供了更多的選擇。

實(shí)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，為滿(mǎn)足這種應用需求，maxim將基準源與比較器集成在同一芯片內，這樣不僅節省空間而且比外部基準耗電少，如，max918在全溫范圍內的最大消耗電流只有1.6μa (包括內部其準源)?？紤]環(huán)境溫度的變化和基準源的類(lèi)型，集成基準源的精度一般在1%至4%。對于精度要求較高的應用，可以考慮選用max9040系列產(chǎn)品，其內置基準源的初始精度可以達到0.4%、最大溫度漂移為30ppm/°c。

雙比較器max923與max933和漏極開(kāi)路輸出的max973、max983非常適和窗比較器應用，內部基準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(gè)外部電阻即可設置過(guò)壓、欠壓門(mén)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(gè)分壓電阻設置滯回電壓門(mén)限。為便于使用，有些比較器(列如max912/max913)還提供互補輸出，即對應于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。

典型應用

圖2為一電平轉換器，可完成3v邏輯至5v邏輯的變換。如圖3所示，漏極開(kāi)路輸出比較器，如max986，提供了一個(gè)極為簡(jiǎn)捷的實(shí)現方案，同樣，如果比較器供電電壓允許(如max972)，也可實(shí)現±5v雙極性邏輯至+3v單極性邏輯的電平轉換。具體應用時(shí)應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ic的絕對最大額定參數)。

圖4電路解決了另一常見(jiàn)問(wèn)題，該電路可將雙極性輸入(這里為正弦波)轉換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為：

兩個(gè)阻值相同的電阻(r4)將比較器切換檢測門(mén)限設置在電源電壓的一半。圖5所示是利用四個(gè)比較器構成一個(gè)電流檢測電路，可用于指示輸入電流的四個(gè)范圍，電阻"shunt"用于將輸入電流轉換為電壓信號，r1-r2用于設置運算放大器的增益，并為比較器提供所需要的基準電壓。r4-r7用來(lái)設置不同數字輸出狀態(tài)所對應的檢測門(mén)限。