「科普」运算放大器和比较器有什么不同？

运算放大器和比较器的基础知识

快速浏览任何主要集成电路 (IC) 供应商的产品组合，就会发现有大量各种放大器 IC。其中包括众所周知的运算放大器 (op amp) 和其他更专业的放大器，例如仪表放大器、 电流检测放大器、差分放大器和跨阻放大器，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类别。

虽然这些不同类型的放大器之间有很多功能重叠，但每种放大器的设计都针对不同的功能或用例而打造。本文将仔细研究两种常见的 IC——运算放大器和比较器，并探讨将运算放大器用作比较器可能存在的缺陷。

运算放大器和比较器概述

让我们从非常高层次的角度来看一下这两种类型的 IC。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相同——一个三角形，具有正负输入和单个输出。但这两种类型的 IC 的实际设计和预期用途却截然不同。

图 1：基本运算放大器和比较器电路符号

运算放大器设计 为与负反馈一起工作，这意味着放大器的输出连接到反相（负）输入。这种负反馈回路的构造方式将决定放大器的运行（因此得名）。示例包括创建低通或高通滤波器、放大器、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内工作，简单地说就是在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。比较器中缺少负反馈和输出级的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

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，最好直接使用比较器。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。但在某些情况下，使用运算放大器作为比较器功能很有吸引力。例如，如果给定的设计包含未使用的运算放大器并且需要比较器，那么使用该运算放大器作为比较器将节省时间、电路板面积和成本。考虑到这一点，让我们探讨一下将运算放大器用作比较器的一些可能陷阱。

让我们首先考虑一下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，因此必须小心确保在给定的应用中，运算放大器的输入共模范围不会超出范围。与输入级有关的另一个可能的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，可防止反相和非反相输入之间的移动超过二极管压降。这在双极运算放大器和一些高压运算放大器中更为常见。运算放大器数据表中的绝对最大额定值应指示差分输入范围中的任何限制。

在评估运算放大器是否能在您的应用中正确用作比较器时，还需要考虑其输出级的几个因素。用作比较器时，输出从一个电源轨转换到另一个电源轨的速度将由放大器的斜率决定。必须小心确保最终比较器的速度对于给定的应用来说足够快。还应注意，在某些情况下，这可以被视为一种优势；斜率将限制边沿速率，从而减少与电磁干扰相关的问题。如前所述，运算放大器设计为在线性工作区内工作，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会很长（如果有的话）。

最后，运算放大器的输出级设计为始终提供或吸收电流，因此无法通过开漏输出创建比较器功能。由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），因此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，使用具有开漏输出的比较器非常常见。

在评估是否使用运算放大器作为比较器时，另一个考虑因素是滞后。具有滞后的比较器使用“上限”和“下限”阈值，其中输入信号必须超过或低于这些相应阈值，输出才会转换。这对于电气噪声或缓慢移动的输入信号非常有用。大多数比较器 IC 都提供内置滞后，有些甚至提供可调滞后。将运算放大器配置为开环运行的比较器（即没有从输出到输入的反馈）将导致没有滞后。但是，通过使用正反馈（将输出信号的一部分反馈到运算放大器的非反相输入），可以为配置为比较器的运算放大器添加滞后。根据输入信号的特性，这可能不是必需的，例如如果它是没有噪声的快速信号。

图 3：滞后对输出的影响

结论

一般来说，运算放大器提供的比较器解决方案不如专用比较器 IC 好，在某些情况下甚至可能根本不起作用。在某些情况下，利用现有的运算放大器作为比较器是有吸引力的，可以节省时间、成本和电路板空间。在这些情况下，必须小心确保运算放大器确实能按预期作为比较器运行。必须注意特定运算放大器的输入结构，并注意配置为比较器时的输出级限制。

审核编辑 黄宇