可以使用运算放大器作为比较器吗

运算放大器和比较器基础知识

快速浏览任何主要集成电路（IC）供应商的产品组合，都会发现大量各种放大器IC。这包括众所周知的运算放大器（op amp）和其他更专业的放大器，如仪器仪表、电流检测、差动和跨阻放大器，仅举几例。即使是看似基本的比较器IC，也经常被归入放大器的范畴。

虽然这些不同的放大器类型之间存在很多功能重叠，但每种放大器都旨在在各种功能或用例中表现出色。本文将仔细研究两种常见的IC（运算放大器和比较器），并探讨使用运算放大器作为比较器可能存在的陷阱。

运算放大器和比较器概述

让我们从这两种类型的IC开始。乍一看，它们非常相似;甚至运算放大器和比较器的电路符号也是相同的——一个具有正负输入和单输出的三角形。但这两种IC的实际设计和预期用途却大不相同。

图1：基本运算放大器和比较器电路符号

运算放大器设计为负反馈，这意味着放大器的输出连接到反相（负）输入。该负反馈环路的构建方式将决定放大器的工作（因此得名）。示例包括创建低通或高通滤波器、放大、积分器、电压跟随器等。由于这种负反馈，运算放大器的输出级设计为在线性区域工作，简单地说，即放大器的电源轨之间。

另一方面，比较器的输出级专门设计用于饱和工作，这意味着输出电压始终接近一个电源轨或另一个电源轨，而不是介于两者之间。比较器中没有负反馈和输出级设计是运算放大器和比较器之间的巨大差异。

图2：饱和与线性工作区域

使用运算放大器作为比较器

一般来说，如果给定的设计需要比较器，最好只使用比较器。这种设备是专门为该功能设计和优化的，因此将提供最佳结果。但可能会出现将运算放大器用于比较器功能很有吸引力的情况。例如，如果给定设计包含一个未使用的运算放大器，并且需要一个比较器，那么将该运算放大器用作比较器将节省时间、电路板面积和成本。考虑到这一点，让我们探讨一下使用运算放大器作为比较器时可能存在的一些陷阱。

我们首先考虑运算放大器的输入级。并非所有运算放大器都提供轨到轨输入级，因此必须注意确保在给定的应用中不超过运算放大器的输入共模范围。与输入级有关的另一个可能问题是运算放大器的差分输入范围。一些运算放大器具有背靠背二极管，可防止反相和同相输入之间的距离超过一个二极管压降。这在双极性运算放大器和一些更高电压的运算放大器中更为常见。运算放大器数据手册内的绝对最大额定值应指示差分输入范围内的任何限制。

在评估运算放大器能否在应用中作为比较器正常工作时，还有几个关于运算放大器输出级的考虑因素。当用作比较器时，从一个电源轨到另一个电源轨的输出转换速度将由放大器的压摆率决定。必须注意确保所得比较器的速度对于给定的应用来说足够快。还应该注意的是，在某些情况下，这可以被认为是一种优势;压摆率将限制边沿速率，减少电磁干扰相关问题。如前所述，运算放大器设计为在线性工作区域内工作，即在电源轨之间。当放大器的输出被强制到电源轨时，放大器输出恢复时间可能很长，如果有的话。最后，运算放大器的输出级设计为始终供应或吸收电流，因此无法创建具有漏极开路输出的比较器功能。鉴于比较器本质上具有模拟输入和数字输出（由输入决定的两种状态之一），比较器通常用于桥接不同的电路特性，例如将信号转换为不同的电压范围。因此，使用具有漏极开路输出的比较器是很常见的。

在评估是否使用运算放大器作为比较器时，另一个考虑因素是迟滞。具有迟滞的比较器利用“上限”和“下限”阈值，在该阈值中，输入信号必须高于或低于这些各自的阈值，然后输出才会转换。这对于电噪声或缓慢移动的输入信号很有用。大多数比较器IC提供内置迟滞，有些甚至提供可调迟滞。将运算放大器配置为开环工作的比较器（意味着从输出到输入没有反馈）不会产生迟滞。但是，通过使用正反馈（将部分输出信号反馈回运算放大器的同相输入），可以为配置为比较器的运算放大器增加迟滞。根据输入信号的特性，这可能不是必需的，例如，如果它是不嘈杂的快速信号。

图 3：迟滞对输出的影响

结论

一般而言，运算放大器无法提供与专用比较器IC一样好的比较器解决方案，在某些情况下，可能根本无法正常工作。在某些情况下，利用现有的运算放大器作为比较器以节省时间、成本和电路板空间很有吸引力。在这些情况下，必须注意确保运算放大器实际上将按预期作为比较器工作。必须注意特定的运算放大器输入结构，并注意配置为比较器时的输出级限制。

审核编辑：郭婷