運(yùn)算放大器用作比較器的技術(shù)要求

1、 將運(yùn)算放大器用作比較器簡(jiǎn)介比較器是一種帶有反相和同相兩個(gè)輸入端以及一個(gè)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(yùn)算放大器同樣如此。然而，將運(yùn)算放大器當(dāng)作比較器使用卻非常吸引人，其中 原因有多種。本文余下部分將簡(jiǎn)要討論將運(yùn)算放大器用作 比較器可能產(chǎn)生的各種意外后果，并總結(jié)其中的原因和注 意事項(xiàng)。V+V+為什么要將運(yùn)算放大器用作比較器？· 方便 · 經(jīng)濟(jì)圖1比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點(diǎn)。運(yùn) 算放大器亦是如此。那么兩者之間有何區(qū)別呢？比較器擁有邏輯輸出端，可顯 示兩個(gè)輸入端中哪個(gè)電位更高。如果其輸出端可兼容TTL 或CMOS(許多比較器

2、的確如此 ，則比較器的輸出始終為 正負(fù)電源的軌之一，或者在兩軌間進(jìn)行快速變遷。 運(yùn)算放大器有一個(gè)模擬輸出端，但輸出電壓通常不靠近兩 個(gè)供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設(shè)計(jì)用于各種閉 環(huán)應(yīng)用，來(lái)自輸出端的反饋進(jìn)入反相輸入端。但多數(shù)現(xiàn)代 運(yùn)算放大器的輸出端可以擺動(dòng)到供電軌附近。為何不將它 們用作比較器呢？運(yùn)算放大器具有高增益、低偏置和高共模抑制的特點(diǎn)。其 偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。此外，運(yùn)算放 大器一般提供兩個(gè)或四個(gè)一組的封裝模式。如果需要三個(gè) 運(yùn)算放大器和一個(gè)比較器，購(gòu)買四個(gè)運(yùn)算放大器，使其中 之一閑置，然后再單獨(dú)買一個(gè)比較器，這樣做似乎毫無(wú)意 義。然而，把運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，

3、最好的建議其實(shí)非常 簡(jiǎn)單，那就是切勿這樣做！比較器設(shè)計(jì)用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)邏輯電路，用于高速 工作，即使過(guò)載亦是如此。而這些均不是運(yùn)算放大器的設(shè) 計(jì)用途。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于閉環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的 · 低I B · 低V OS將運(yùn)算放大器用作比較器的原因有多種。有些屬于技術(shù)范 疇，而有個(gè)原因則純屬經(jīng)濟(jì)使然。運(yùn)算放大器不但有單運(yùn) 放封裝，同時(shí)提供雙運(yùn)放或四運(yùn)放型號(hào)，即將兩個(gè)或四個(gè) 運(yùn)算放大器集成在一個(gè)芯片上。這類雙核和四核型號(hào)比兩 個(gè)或四個(gè)獨(dú)立運(yùn)算器便宜，而且占用電路板面積更小，進(jìn) 一步節(jié)省了成本。盡管將四運(yùn)放器件中的閑置運(yùn)算放大器 用作比較器而不是單獨(dú)購(gòu)買比較器實(shí)為經(jīng)濟(jì)之

4、舉，但這并 不符合良好設(shè)計(jì)規(guī)范。比較器專門針對(duì)干凈快速的切換而設(shè)計(jì)，因此其直流參數(shù) 往往趕不上許多運(yùn)算放大器。因而，在要求低V OS 、低I B 和 寬CMR 的應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器可能比較方 便。如果高速度非常重要，將運(yùn)算放大器用作比較器將得 不償失。為什么不要將運(yùn)算放大器用作比較器？· 速度· 不便的輸入結(jié)構(gòu) · 不便的邏輯結(jié)構(gòu) · 穩(wěn)定性/遲滯不將運(yùn)算放大器用作比較器的原因也有多種。最重要的原 因是速度，不過(guò)也有輸出電平、穩(wěn)定性(和遲滯 ，以及多 種輸入結(jié)構(gòu)考慮。以下各節(jié)將詳細(xì)討論這些因素。電阻性或電抗性負(fù)載，而且不能過(guò)載至飽和狀態(tài)。1

5、/ 5 06125-002多數(shù)比較器的速度都非?？?，而有些則可以用極快來(lái)形 容，不過(guò)，有些運(yùn)算放大器也有著非?？斓乃俣取槭裁?將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)會(huì)造成低速度呢？比較器設(shè)計(jì) 用于大差分輸入電壓，而運(yùn)算放大器一般用于驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系 統(tǒng)，在負(fù)反饋的作用下，其輸入電壓差降至非常低。當(dāng)運(yùn) 算放大器過(guò)載時(shí)，有時(shí)僅幾毫伏也可能導(dǎo)致過(guò)載，其中有 些放大級(jí)可能發(fā)生飽和。這種情況下，器件需要相對(duì)較長(zhǎng) 的時(shí)間從飽和中恢復(fù)，因此，如果發(fā)生飽和，其速度將慢 得多。如果邏輯和運(yùn)算放大器共用同一電源，軌到軌運(yùn)算放大器 可成功驅(qū)動(dòng)CMOS 和TTL 邏輯系列，但是，如果運(yùn)算放大器 和邏輯采用不同電源，則需在兩者之間另外設(shè)

6、置接口電 路。注意，這種情況采用于采用±5 V電源的運(yùn)算放大器， 必須用+5 V電源驅(qū)動(dòng)邏輯；如果施加-5 V電源，則可能損 壞邏輯。最簡(jiǎn)單的接口電路就是變換器，可能以NPN 晶體管制成， 但這些元件需會(huì)基極吸取電流。更為方便的是N-溝道 MOSFET 晶體管。+VL圖4R B 設(shè)定晶體管基極電流，R L 則設(shè)定集電極/漏極的電流。該 電流越小，變換器速度就越快，但其功耗也越大。通常使 用幾千歐姆的數(shù)值。N-溝道MOS 器件應(yīng)采用低柵極閾值電壓 圖2過(guò)載運(yùn)算放大器的飽和恢復(fù)時(shí)間很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常群延 遲(實(shí)際指信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的時(shí)間 ，并且通常取 決于過(guò)載量。由于僅有少數(shù)運(yùn)算放

7、大器標(biāo)有從不同程度過(guò)載狀態(tài)恢復(fù)所 需要的時(shí)間，因此，用戶有必要根據(jù)特定應(yīng)用的不同過(guò)載 水平，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定可能發(fā)生的延遲。設(shè)計(jì)計(jì)算中用到的 (<2 V和高于運(yùn)算放大器最大輸出電壓的柵源擊穿電壓。一 般±25 V就夠了。盡管運(yùn)算放大器和邏輯使用不同的電源，但 必須相互連接。運(yùn)算放大器正電源+VA 必須比邏輯負(fù)電源 -V L 高至少3 V，才能提供足夠電壓來(lái)開(kāi)啟晶體管或MOSFET 柵極。另外，運(yùn)算放大器負(fù)電源相對(duì)于邏輯負(fù)電源不能為 正，但可與其相連。當(dāng)然，必須遵循全部所用器件的絕對(duì) 最大額定值。數(shù)值應(yīng)至少兩倍于任何測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的最差數(shù)值，這是因?yàn)?測(cè)試所用樣片不一定具有代表性。專門型

8、比較器的輸出端設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)特定邏輯系列。輸出 級(jí)通常采用單獨(dú)供電，以確保邏輯電平準(zhǔn)確無(wú)誤。 現(xiàn)代運(yùn)算放大器多采用軌到軌輸出，其最大正電平接近正 電源，最低負(fù)電平接近負(fù)電源。(老式設(shè)計(jì)所用架構(gòu)的兩個(gè) 圖5供電軌都具有1.5 V以上的動(dòng)態(tài)余量。補(bǔ)充MOS 變換器可采用一個(gè)P-溝道和一個(gè)N-溝道MOSFET 。 這樣做的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有待機(jī)電流，但在切換過(guò)程中，兩個(gè) 器件同時(shí)開(kāi)啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流尖峰。圖3在這種設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器正電源+VA 必須等于或大于邏 輯正電源+VL 。另外，運(yùn)算放大器負(fù)電源必須等于或小于邏 輯負(fù)電源。2 / 5 確保邏輯接口電平正確無(wú)誤的另一種方法是使用AD8036 一類的箝位放

9、大器。箝位放大器具有正負(fù)基準(zhǔn)端子，當(dāng) 放大器輸出超過(guò)或低于正負(fù)電壓限值時(shí)，其輸出將被限 制在基準(zhǔn)電壓的30 mV之內(nèi)。輸入阻抗和偏置電流的實(shí)際特性也必須納入考慮范圍。由 于多數(shù)運(yùn)算放大器具有高阻抗、低偏置電流的特點(diǎn)，因 此，要保證某種設(shè)計(jì)支持除零和無(wú)窮大極限之外的實(shí)際預(yù) 期工作電壓范圍并不困難。但必須進(jìn)行精確的計(jì)算。否L則，據(jù)墨菲定律，如果可能出錯(cuò)，就一定會(huì)出錯(cuò)。圖6因此，如果將正負(fù)邏輯電源連接到基準(zhǔn)輸入(放大器電源 位于邏輯電源之外 ，放大器輸出將為邏輯提供安全的驅(qū) 動(dòng)。如前所述，當(dāng)將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，受飽和影 響，其反應(yīng)速度低于期望水平。正因?yàn)槿绱?，要求通過(guò) 用作比較器的運(yùn)算放大器來(lái)

10、驅(qū)動(dòng)發(fā)射極耦合邏輯(ECL的 情況并不多見(jiàn)，因?yàn)檫@種邏輯用于要求最高邏輯速度的圖8有些運(yùn)算放大器的輸入級(jí)由一對(duì)長(zhǎng)尾式晶體管或FET 構(gòu) 成。這些晶體管具有高輸入阻抗，即使當(dāng)反相和同相輸入 端之間存在較大差分電壓時(shí)，也是如此。但多數(shù)運(yùn)算放大 應(yīng)用。 圖7器具有更為復(fù)雜的輸入結(jié)構(gòu)，如偏置補(bǔ)償輸入級(jí)，或由兩 個(gè)輸入級(jí)構(gòu)成的軌到軌輸入級(jí)，其中一個(gè)輸入級(jí)使用NPN 或N-溝道器件，另一個(gè)則使用其他PNP 或P-溝道器件，兩 者以并行方式連接，以使其共模范圍能同時(shí)包括正負(fù)供電 電源電壓。運(yùn)算放大器旨在與負(fù)反饋相配合，以盡可能降低其差分輸入。這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)大差分輸入電壓的反應(yīng)可能并不能讓 人滿意。要在本文中

11、盡數(shù)討論全部可能架構(gòu)，是不切實(shí)際 但是，出于全面考慮，圖7顯示的是只用到R1、R2和R3三 個(gè)電阻的接口電路。選擇這些電阻是為了達(dá)到以下目 的：當(dāng)運(yùn)算放大器輸出達(dá)到正限值時(shí)，使ECL 柵極輸入 處的電平為-0.8 V；達(dá)到負(fù)限值時(shí)，則使其電壓為-1.6 V。 的。不過(guò)，圖9所示保護(hù)電路即是多種此類結(jié)構(gòu)之一。當(dāng) 差分輸入低于±0.6 V時(shí)，器件將表現(xiàn)出較高的輸入阻抗，不 過(guò)，超過(guò)此值時(shí)，保護(hù)二極管開(kāi)始導(dǎo)通，差分輸入阻抗快 速降低。R1、R2和R3的比率取決于這一要求；電阻的絕對(duì)值是在 速度和節(jié)能兩個(gè)指標(biāo)間作出的權(quán)衡。對(duì)于用作比較器的運(yùn)算放大器，還需考慮與其輸入相關(guān) 的多種因素。首先一條

12、假設(shè)是，運(yùn)算放大器的輸入阻抗 無(wú)窮大。對(duì)于電壓反饋運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，這種假設(shè)是極 其合理的，但并不適用于整個(gè)設(shè)計(jì)流程。對(duì)于反相輸入 端阻抗極低的電流反饋(跨導(dǎo) 運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，該假設(shè)無(wú) 效。因此，不得將其用作比較器。圖9在許多比較器應(yīng)用中，差分輸入被限制在數(shù)十或數(shù)百毫伏 之內(nèi)，但有些應(yīng)用并不存在這種限制，此時(shí)，上述效應(yīng)顯得非常重要。3 / 5 閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)若要確定比較器應(yīng)用中的預(yù)期最差電壓是否足以對(duì)運(yùn)算放 大器的正常工作造成不利影響，則必須仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手 冊(cè)。實(shí)驗(yàn)在此并不是一種好辦法，因?yàn)橛行┻^(guò)壓效應(yīng)具有 累積性，一次過(guò)壓事件不會(huì)造成明顯損壞，但多次此類事 件則可能逐漸對(duì)偏置、噪聲或開(kāi)環(huán)增益或三

13、者同時(shí)造成有 害影響。閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，應(yīng)查看絕對(duì)最大差分輸入電壓的下限值， 查看偏置電流或輸入電源與差分或共模電壓之間的關(guān)系圖， 這些示意圖可顯示非連續(xù)性或總體非線性情況，同時(shí)還需查 找反相證據(jù)，這樣做非常重要。如果存在任意上述潛在危險(xiǎn)，則必須對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行分 析，確定是否是此類危險(xiǎn)使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。這可通過(guò) 模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要注意的是，在大差分輸入的情況下， Spice 及其他模型并非始終都能準(zhǔn)確地映射到器件行為。就 用簡(jiǎn)單的紙和筆來(lái)計(jì)算預(yù)期效應(yīng)，之后再做些實(shí)驗(yàn)，這種 方法或許更為可取。 相位翻轉(zhuǎn)老式FET 輸入運(yùn)算放大器，甚至某些雙極型號(hào)被一種稱為 不難想像，在比較器應(yīng)用中，這并不是個(gè)好

14、消息。因此， 對(duì)于用作比較器的任何運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，必須確保不存在 相位翻轉(zhuǎn)(過(guò)去十年生產(chǎn)的多數(shù)運(yùn)算放大器均采用這種設(shè) 計(jì) ，或者采用獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，以使比較器輸入永遠(yuǎn) 不接近可能產(chǎn)生反相現(xiàn)象的電壓范圍。由于運(yùn)算放大器制造商不希望其產(chǎn)品的相位翻轉(zhuǎn)特性受到 關(guān)注，因而，數(shù)據(jù)表一般以共模范圍限值來(lái)呈現(xiàn)該特性， 對(duì)于超過(guò)此限值所帶來(lái)的后果，往往一筆帶過(guò)。請(qǐng)記住這 點(diǎn)，如果有運(yùn)算放大器似乎存在這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)馬上進(jìn)行測(cè) 試。 不穩(wěn)定性用作比較器的運(yùn)算放大器沒(méi)有負(fù)反饋，因此其開(kāi)環(huán)增益非 常高。躍遷期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發(fā)振 蕩。反饋可能來(lái)自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可 能來(lái)自共地阻抗中存

15、在的輸出電流。相位翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象所困擾。如果輸入超過(guò)允許的共模范圍， 反相和同相輸入將互換角色。STRAY C圖11COMMON GROUNDIMPEDANCE補(bǔ)償辦法是通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)布局降低雜散電容，同時(shí)確保 使同相輸入的對(duì)地阻抗保持于最低水平，以減弱任何殘留電容反饋。反相輸入電容反饋僅存在于電流反饋運(yùn)算放大圖10器(不建議采用 以及未完全補(bǔ)償(即非穩(wěn)定統(tǒng)一增益 的電 壓反饋運(yùn)算放大器中。4 / 5 遲滯有時(shí)，借助以上措施還不足以防止不穩(wěn)定性。剩下的唯一 可行辦法是利用少量受控正反饋產(chǎn)生遲滯，以便保證一旦 躍遷開(kāi)始，除非輸入經(jīng)過(guò)顯著的反相電壓，才有可能發(fā)生 反向的躍遷。OUTPUT SWING:

16、 VS閾值的計(jì)算(基準(zhǔn)電壓未處于兩個(gè)電源的中間 ： 比較器輸出電壓為V P 和V N 。 基準(zhǔn)電壓為V R 。 正閾值為R 2V R + R1V P HYSTERESIS V S (R1 + R2R 1R 1 + R2負(fù)閾值為SIGNAL APPLIED TO R1 MUST COME FROM A SOURCE IMPEDANCE WHICH IS MUCH LOWER THAN R1.圖12通過(guò)兩個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，遲滯量與兩個(gè)電阻之比 成比例。比較器信號(hào)輸入可連接到反相或同相輸入，但 是，如果連接的是非反相輸入，則源阻抗必須低至不會(huì)對(duì) R1產(chǎn)生顯著影響的水平。當(dāng)然，如果源阻抗具有可預(yù)測(cè) 性，則可當(dāng)作R1使用。如果基準(zhǔn)電壓處于兩個(gè)比較器輸出電壓的中間，對(duì)稱電源 和地基準(zhǔn)即是如此，遲滯將使正負(fù)躍遷的電壓閾值等距離 的偏離基準(zhǔn)電壓。但是，如果基準(zhǔn)電壓更接近于兩個(gè)輸出 中的一個(gè)，則閾值呈不對(duì)稱關(guān)系處于基準(zhǔn)電壓左右。R 2V