運算放大器和比較器的基礎知識

快速瀏覽任何主要集成電路 (IC) 供應商的產品組合，就會發現有大量各種放大器 IC。其中包括眾所周知的運算放大器 (op amp) 和其他更專業的放大器，例如儀表放大器、 電流檢測放大器、差分放大器和跨阻放大器，僅舉幾例。即使是看似基本的比較器 IC 也經常被歸入放大器類別。

雖然這些不同類型的放大器之間有很多功能重疊，但每種放大器的設計都針對不同的功能或用例而打造。本文將仔細研究兩種常見的 IC——運算放大器和比較器，并探討將運算放大器用作比較器可能存在的缺陷。

運算放大器和比較器概述

讓我們從非常高層次的角度來看一下這兩種類型的 IC。乍一看，它們非常相似；甚至運算放大器和比較器的電路符號也相同——一個三角形，具有正負輸入和單個輸出。但這兩種類型的 IC 的實際設計和預期用途卻截然不同。

圖 1：基本運算放大器和比較器電路符號

運算放大器設計 為與負反饋一起工作，這意味著放大器的輸出連接到反相（負）輸入。這種負反饋回路的構造方式將決定放大器的運行（因此得名）。示例包括創建低通或高通濾波器、放大器、積分器、電壓跟隨器等。由于這種負反饋，運算放大器的輸出級設計為在線性區域內工作，簡單地說就是在放大器的電源軌之間。

另一方面，比較器的輸出級專門設計用于飽和工作，這意味著輸出電壓始終接近一個電源軌或另一個電源軌，而不是介于兩者之間。比較器中缺少負反饋和輸出級的設計是運算放大器和比較器之間的巨大差異。

圖 2：飽和與線性工作區

使用運算放大器作為比較器

一般來說，如果給定的設計需要比較器，最好直接使用比較器。這種設備是專門為該功能設計和優化的，因此將提供最佳結果。但在某些情況下，使用運算放大器作為比較器功能很有吸引力。例如，如果給定的設計包含未使用的運算放大器并且需要比較器，那么使用該運算放大器作為比較器將節省時間、電路板面積和成本。考慮到這一點，讓我們探討一下將運算放大器用作比較器的一些可能陷阱。

讓我們首先考慮一下運算放大器的輸入級。并非所有運算放大器都提供軌到軌輸入級，因此必須小心確保在給定的應用中，運算放大器的輸入共模范圍不會超出范圍。與輸入級有關的另一個可能的問題是運算放大器的差分輸入范圍。一些運算放大器具有背靠背二極管，可防止反相和非反相輸入之間的移動超過二極管壓降。這在雙極運算放大器和一些高壓運算放大器中更為常見。運算放大器數據表中的絕對最大額定值應指示差分輸入范圍中的任何限制。

在評估運算放大器是否能在您的應用中正確用作比較器時，還需要考慮其輸出級的幾個因素。用作比較器時，輸出從一個電源軌轉換到另一個電源軌的速度將由放大器的斜率決定。必須小心確保最終比較器的速度對于給定的應用來說足夠快。還應注意，在某些情況下，這可以被視為一種優勢；斜率將限制邊沿速率，從而減少與電磁干擾相關的問題。如前所述，運算放大器設計為在線性工作區內工作，即在電源軌之間。當放大器的輸出被強制到電源軌時，放大器輸出恢復時間可能會很長（如果有的話）。

最后，運算放大器的輸出級設計為始終提供或吸收電流，因此無法通過開漏輸出創建比較器功能。由于比較器本質上具有模擬輸入和數字輸出（由輸入決定的兩種狀態之一），因此比較器通常用于橋接不同的電路特性 - 例如將信號轉換為不同的電壓范圍。因此，使用具有開漏輸出的比較器非常常見。

在評估是否使用運算放大器作為比較器時，另一個考慮因素是滯后。具有滯后的比較器使用“上限”和“下限”閾值，其中輸入信號必須超過或低于這些相應閾值，輸出才會轉換。這對于電氣噪聲或緩慢移動的輸入信號非常有用。大多數比較器 IC 都提供內置滯后，有些甚至提供可調滯后。將運算放大器配置為開環運行的比較器（即沒有從輸出到輸入的反饋）將導致沒有滯后。但是，通過使用正反饋（將輸出信號的一部分反饋到運算放大器的非反相輸入），可以為配置為比較器的運算放大器添加滯后。根據輸入信號的特性，這可能不是必需的，例如如果它是沒有噪聲的快速信號。

圖 3：滯后對輸出的影響

結論

一般來說，運算放大器提供的比較器解決方案不如專用比較器 IC 好，在某些情況下甚至可能根本不起作用。在某些情況下，利用現有的運算放大器作為比較器是有吸引力的，可以節省時間、成本和電路板空間。在這些情況下，必須小心確保運算放大器確實能按預期作為比較器運行。必須注意特定運算放大器的輸入結構，并注意配置為比較器時的輸出級限制。

審核編輯 黃宇