比较器的合理选择与应用,Selection and application of Comparators

比较器的合理选择与应用,Selection and application of Comparators

关键字：比较器的合理选择与应用

长期以来，比较器的应用一直受到运算放大器的冲击，直到目前随着比较器性能指标的不断改进，这一现状才得到改善，本文主要介绍新型比较器的性能及其典型应用。 比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入 差分电压非常小的信号。而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。因此，比较器不能当作运算放大器使用。这也是运算放大器的应用范围相对比较广泛的主要原理之一。
1 比较器的电源电压 传统的比较器需要±15V双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，许多厂商也仍在提供该类产品。但是，从市场发展趋势看，目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装牧场 生，有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如：MAX919比较器可工作在1.8V至5.5V电压范围内，全温范围内的最大吸入电流仅为1.2μA，采用SOT23封装，类似的MAX965比较器工作电压可低至1.6V，因而非常适用于电池供电的便携式产品。
2 比较器的主要性能指标 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。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个：一个用于检测上升电压，一个用电压门限（VTRIP-）之差等于滞回电压（VHYST），滞回比较器的失调电压是TRIP+和VTRIP-的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对换调电压的影响。 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。偏置电流（Ibias）定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。 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，因而达到了所谓的超电源摆幅（Beyond-the Rail）标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。 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。 输出延迟时间是选择比较器的关键参数，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。 有些应用需要权衡比较器的速度与功耗，Maxim公司针对这一问题提供了多种芯片类型供选择，其中包括从耗电800nA、延迟时间为30μs的MAX919到耗电6μA、延迟时间为540ns的MAX9075以及耗电600μA、延迟时间为20ns的MAX998到耗电11mA、延迟时间为4.5ns的封装，其延迟时间低至5ns电源电流只有900μA，从而为产品设计提供了更多的选择。
3 典型比较器 比较器通常用于比较两个输入电压，其中，一路输入电压为固定值，另一路输入为变化量，为满足这种应用的需求，Maxim将基准源与比较器集成在同一芯片内，这样不仅节省空间而且比外部基准耗电少，如，MAX918在全温范围内的最大消耗电流只有1.6μA（包括内部其准源）。考虑环境温度的变化和基准源的类型，集成基准源的精度一般在1%至4%范围内。对于精度要求较高的应用，可以考虑选用MAX9040系列产品，其内置基准源的初始精度可以达到0.4$、最大温度漂移为30ppm/℃。 双比较器MAX923与MAX933和漏极开路输出的MAX973、MAX983非常适用于窗函数比较器的应用，内部基准可以连接到同相输入端或反相输入端，利用三个外部电阻即设置过压、欠压门限。另外，这些芯片还含有滞回输入引脚，该引脚外接两个分压电阻设置滞回电压门限。为便于使用，有些比较器还提供有同相、反相两路输出。
4 典型应用 图2为一电平转换器，可完成3V逻辑至5V逻辑的变换，漏极开路输出比较器MAX986提供了一个极为简捷的实现方案，同样，如果比较器供电电压允许（如MAX972），也可实现±5V双极性逻辑至+3V单极性逻辑的电平转换。具体应用时应注意输入信号不要超出电源电压的摆幅，流入输出端的电流由大阻值的上拉电阻限制。 利用单电源供电的比较器处理双极性信号的具体电路如图3所示，该电路可将双性输入的正弦波转换为单极性的方波输出，外加偏置电压为： Vos=[(VccR1R2+V2R1R3)/R1R2+R1R3+R2R3] 式中：V2为峰-峰值。两个阻值相同的电阻（R4）将比较器切换检测门限设置在电源电压的一半。 图4所示是利用四个比较器构成一个电流检测电路电路炉膛，可用于指示输入电流的四种状态，电阻“Shunt”用于将输入电流转换为电压信号，R1和R2用于设置运算放大器的增益，并为比较器提供所需要的基准电压。R4～R7可用来设置不同数字输出状态所对应的检测门限。