模拟IC电路之比较器设计详细过程

比较器的定义和原理

比较器是一种电子器件，用于比较两个输入信号的大小，并根据比较结果输出一个逻辑信号。比较器通常由两个输入端、一个输出端和一个阈值电压组成。当输入信号电压超过阈值电压时，比较器输出低电平；当输入信号电压低于阈值电压时，比较器输出高电平。

比较器的原理基于阈值电压的概念。阈值电压是指输入信号电压超过或低于某个特定值时，比较器输出发生变化的临界点。比较器通常有两个阈值电压，一个是正向阈值电压，一个是负向阈值电压。当输入信号电压超过正向阈值电压时，比较器输出低电平；当输入信号电压低于负向阈值电压时，比较器输出高电平。

图 比较器的符号

比较器输入输出关系图

比较器性能指标

滞回电压： 比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。

偏置电流： 理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。

超电源摆幅： 为进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出250mV，因而达到超电源摆幅（Beyond-theRail）标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。

漏源电压： 由于比较器仅有两个不同的输出状态（零电平或电源电压），且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。

输出延迟时间： 包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，对于高速比较器，如MAX961，其延迟时间的典型值可对达到4.5ns，上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。

比较器种类选型

过零电压比较器：典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图。

AD转换

比较器还可以作为ADC中的一个典型元件。例如在比较器的一个输入端连接磁性传感器或光电二极管，另一输入端接参考电压，用传感器驱动比较器的输出端产生合适驱动逻辑电路的高低电平。

图 光敏电阻模数转换典型电路图

比较器与运放的联系和区别

比较器与运算放大器（运放）有密切的联系和区别。运放是一种线性放大器，用于放大或处理模拟信号。比较器则是一种数字逻辑器件，用于比较两个输入信号的大小并输出逻辑信号。

尽管运放和比较器都是电子器件，但它们的电路结构和应用领域有所不同。运放通常用于模拟信号的处理和放大，而比较器则用于数字信号的处理和比较。

该图为理想运放与其输入输出关系。图中输出只有两种状态：UH和UL。

关于比较器的灵敏度问题

对于一个过于灵敏的比较器，往往会给系统带来麻烦。因为日常生活的输入信号，它并不是一个理想的信号，它是包含噪声信号的。

将图中蓝色区域展开，可发现：对于一个非常灵敏的比较器， 噪声信号是波动的，经常会在某个点低于基准点，从而使比较器发生翻转。这就形成了有点所示的很多较小时间的脉冲。而这往往是不准确的。

总之，比较器是一种重要的电子器件，用于比较两个输入信号的大小并输出逻辑信号。它广泛应用于各种数字和模拟电路中，如ADC、DAC、触发器和波形发生器等。在选择和使用比较器时，需要考虑其性能指标、精度和灵敏度等因素，以确保其能够满足实际应用的需求。