比較器的合理選擇與應(yīng)用,Selection and application of Comparators

關(guān)鍵字：比較器的合理選擇與應(yīng)用

長期以來，比較器的應(yīng)用一直受到運算放大器的沖擊，直到目前隨著比較器性能指標(biāo)的不斷改進(jìn)，這一現(xiàn)狀才得到改善，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。因此，也可以將其當(dāng)作一個1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。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，一般情況下，運算放大器的延遲時間較長，無法滿足實際需求。比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時間延遲，但其頻響特性會受到一定限制。為避免輸出振蕩，許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路。因此，比較器不能當(dāng)作運算放大器使用。這也是運算放大器的應(yīng)用范圍相對比較廣泛的主要原理之一。
1 比較器的電源電壓 傳統(tǒng)的比較器需要±15V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、小封裝牧場 生，有些應(yīng)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(nèi)，全溫范圍內(nèi)的最大吸入電流僅為1.2μA，采用SOT23封裝，類似的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。
2 比較器的主要性能指標(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)電壓是TRIP+和VTRIP-的平均值。不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點為輸入失調(diào)電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調(diào)電壓一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比表示電源電壓變化對換調(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。MAX917系列比較器的最大偏置電流僅為2nA。 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，這樣，其下限可低至最低電平，上限比電源電壓還要高出250mV，因而達(dá)到了所謂的超電源擺幅（Beyond-the Rail）標(biāo)準(zhǔn)。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。 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），且具有滿電源擺幅特性的比較器的輸出級為射極跟隨器，這使得其輸入和輸出信號僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的發(fā)射結(jié)電壓，對應(yīng)于MOSFFET的漏源電壓。 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，其延遲時間的典型值可對達(dá)到4.5ns，上升時間為2.3ns。設(shè)計時需注意不同因素對延遲時間的影響，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過驅(qū)動等的影響。 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以及耗電600μA、延遲時間為20ns的MAX998到耗電11mA、延遲時間為4.5ns的封裝，其延遲時間低至5ns電源電流只有900μA，從而為產(chǎn)品設(shè)計提供了更多的選擇。
3 典型比較器 比較器通常用于比較兩個輸入電壓，其中，一路輸入電壓為固定值，另一路輸入為變化量，為滿足這種應(yīng)用的需求，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，MAX918在全溫范圍內(nèi)的最大消耗電流只有1.6μA（包括內(nèi)部其準(zhǔn)源）。考慮環(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%范圍內(nèi)。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/℃。 雙比較器MAX923與MAX933和漏極開路輸出的MAX973、MAX983非常適用于窗函數(shù)比較器的應(yīng)用，內(nèi)部基準(zhǔn)可以連接到同相輸入端或反相輸入端，利用三個外部電阻即設(shè)置過壓、欠壓門限。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，有些比較器還提供有同相、反相兩路輸出。
4 典型應(yīng)用 圖2為一電平轉(zhuǎn)換器，可完成3V邏輯至5V邏輯的變換，漏極開路輸出比較器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。 利用單電源供電的比較器處理雙極性信號的具體電路如圖3所示，該電路可將雙性輸入的正弦波轉(zhuǎn)換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為： Vos=[(VccR1R2+V2R1R3)/R1R2+R1R3+R2R3] 式中：V2為峰-峰值。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4所示是利用四個比較器構(gòu)成一個電流檢測電路電路爐膛，可用于指示輸入電流的四種狀態(tài)，電阻“Shunt”用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，R1和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可用來設(shè)置不同數(shù)字輸出狀態(tài)所對應(yīng)的檢測門限。