比較器用于開環(huán)系統(tǒng)，旨在從其輸出端驅(qū)動邏輯電路，以及在高速條件下工作，通常比較穩(wěn)定。

 

運算放大器過驅(qū)時可能會飽和，使得恢復(fù)速度相對較慢。施加較大差分電壓時，很多運算放大器的輸入級都會出現(xiàn)異常表現(xiàn)，實際上，運算放大器的差分輸入電壓范圍通常存在限制。運算放大器輸出也很少兼容邏輯電路。

 

但是仍有很多人試圖將運算放大器用作比較器。這種做法在低速和低分辨率時或許可行，但是大多數(shù)情況下結(jié)果并不理想。今天小編就給大家說說這“結(jié)果并不理想”的原因。

 

1、速度不同

 

大多數(shù)比較器速度都很快，不過很多運算放大器速度也很快。為什么將運算放大器用作比較器時會造成低速度呢？

 

比較器用于大差分輸入電壓，而運算放大器工作時，差分輸入電壓一般會在負反饋的作用下降至最低。當運算放大器過驅(qū)時，有時僅幾毫伏也可能導(dǎo)致過載，其中有些放大級可能發(fā)生飽和。這種情況下，器件需要相對較長的時間從飽和中恢復(fù)，因此，如果發(fā)生飽和，其速度將比始終不飽和時慢得多（參見圖1）。

圖1：放大器用作比較器時的放大器速度飽和效應(yīng)

 

過驅(qū)的運算放大器的飽和恢復(fù)時間很可能遠遠超過放大器的正常群延遲，并且通常取決于過驅(qū)量。由于僅有少數(shù)運算放大器明確規(guī)定從不同程度過驅(qū)狀態(tài)恢復(fù)所需的時間，因此，一般說來，有必要根據(jù)特定應(yīng)用的具體過驅(qū)情況，通過實驗確定放大器的特性。

 

對這類實驗的結(jié)果應(yīng)持謹慎態(tài)度，通過比較器（運算放大器）的傳播延遲值（用于最差條件下的設(shè)計計算）應(yīng)至少為所有實驗中最差值的兩倍。

 

2、輸出作用不同

 

比較器的輸出端用于驅(qū)動特定邏輯電路系列，運算放大器的輸出端則用于在供電軌之間擺動。

 

通常，比較器驅(qū)動的邏輯電路不會共用運算放大器的電源，運算放大器軌到軌擺動可能會超出邏輯供電軌，很可能會破壞邏輯電路，引起短路后還可能會破壞運算放大器。

 

有三種邏輯電路必須考慮，即ECL、TTL和CMOS。

 

ECL是一種極快的電流導(dǎo)引邏輯系列。基于上述原因，當應(yīng)用中涉及ECL的最高速度時，運算放大器不太可能會用作比較器。因此，通常只需注意從運算放大器的信號擺幅驅(qū)動ECL邏輯電平；因雜散電容造成的額外速度損失并不重要。因此只需采用三個電阻即可，如圖2所示。

 

圖2：驅(qū)動ECL邏輯電路的運算放大器比較器

 

圖中選用了R1、R2和R3。當運算放大器輸出為正值時，柵級電平為–0.8V；當輸出較低時，柵級電平為–1.6V。ECL有時候采用正電源而不是負電源（即另外一個供電軌接地），這種情況下采用的基本接口電路相同，但是數(shù)值必須重新計算。

 

雖然CMOS和TTL的輸入結(jié)構(gòu)、邏輯電平和電流差別很大（即便有些CMOS明確規(guī)定可以采用TTL輸入電平工作），但由于這兩種邏輯電路都在邏輯0（接近0V）和邏輯1（接近5V）時工作，因此非常適合采用相同的接口電路。

 

圖3：驅(qū)動TTL或CMOS邏輯電路的運算放大器比較器

 

最簡單的接口采用單個N溝道MOS晶體管和一個上拉電阻RL（如圖3所示）。用NPN晶體管、RL，外加一個晶體管和二極管也可以組成類似的電路。這些電路簡單、廉價且可靠，還可以連接多個并聯(lián)晶體管和一個RL，實現(xiàn)“線或”功能，但是0-1轉(zhuǎn)換的速度取決于RL值和輸出節(jié)點的雜散電容。RL值越低，速度越快，但是功耗也會隨之增加。通過采用兩個MOS器件、一個P溝道和一個N溝道，可以組成一個只需兩個器件的CMOS/TTL接口，每種狀態(tài)下都沒有靜態(tài)功耗（參見圖4）。

 

圖4：內(nèi)置CMOS驅(qū)動器的運算放大器比較器

 

此外，只需改變器件的位置，就可以設(shè)置成反相或同相。但是，當兩個器件同時打開時，開關(guān)過程中勢必會產(chǎn)生較大的浪涌電流，除非采用集成高通道電阻的MOS器件，否則就可能需要使用限流電阻來減小浪涌電流的影響。該圖和圖3中的應(yīng)用所采用的MOS器件柵源擊穿電壓VBGS在每個方向都必須大于比較器的輸出電壓。MOS器件中常見的柵源擊穿電壓值VBGS>±25V，這一數(shù)值通常綽綽有余，但是很多MOS器件內(nèi)置柵級保護二極管，會減小這一數(shù)值，所以這些器件不應(yīng)采用。

 

3、輸入考慮因素

 

對于用作比較器的運算放大器，還需考慮與其輸入相關(guān)的多種影響因素。工程師對所有運算放大器和比較器做出的第一級假設(shè)是：它們具有無窮大的輸入阻抗，并且可視為開路（電流反饋（跨導(dǎo)）運算放大器除外，這種運算放大器的同相輸入端具有高阻抗，但反相輸入端只有幾十歐姆的低阻抗）。

 

但是很多運算放大器（尤其是偏置補償型運算放大器）都內(nèi)置保護電路，以防止大電壓損壞輸入器件。

 

其它運算放大器則內(nèi)置更復(fù)雜的輸入電路，在施加的差分電壓小于幾十毫伏時只具有高阻抗，或者在差分電壓大于幾十伏時可能會損壞。因此，將運算放大器用作比較器時，如果施加大差分電壓，必須仔細研究數(shù)據(jù)手冊，才能確定輸入電路的工作方式。（采用集成電路時，務(wù)必研究數(shù)據(jù)手冊，確保其非理想特性（每個集成電路都存在一些非理想特性）兼容推薦的應(yīng)用，本文中這點尤為重要）。圖5所示為內(nèi)置防止大差分電壓輸入二極管的運算放大器。

 

圖5：具有保護功能的運算放大器輸入結(jié)構(gòu)

 

當然，有一些比較器應(yīng)用不存在大差分電壓；即使存在，比較器的輸入阻抗相對而言也不太重要。這種情況適合將運算放大器用作比較器，其輸入電路表現(xiàn)為非線性，但是涉及的問題必須考慮，不能忽視。

 

對BIFET運算放大器而言，如果其輸入接近其中一個電源（通常為負電源），幾乎都會表現(xiàn)異常。其反相和同相輸入可能會互換。如果運算放大器用作比較器時發(fā)生這種情況，涉及的系統(tǒng)相位將會反轉(zhuǎn)，造成極大不便。要解決這一問題，還是必須仔細閱讀數(shù)據(jù)手冊，確定合適的共模范圍。

 

而且，沒有負反饋意味著輸入阻抗不必乘以開環(huán)增益，這與運算放大器電路不同。因此，輸入電流會隨著比較器開關(guān)而變化。驅(qū)動阻抗和寄生反饋也因此對影響電路穩(wěn)定性起著重要作用。負反饋往往會使放大器保持在線性區(qū)域內(nèi)，正反饋則會使其飽和。

 

最后的建議

 

運算放大器設(shè)計的目的不是用作比較器，因而不太建議這種做法。盡管如此，在某些應(yīng)用中，將運算放大器用作比較器卻是正確的設(shè)計決策，關(guān)鍵是要慎重考慮后再做出決策，并確保所選運算放大器能達到預(yù)期的性能。因此，必須仔細閱讀數(shù)據(jù)手冊，認真考慮由于運算放大器性能達不到理想狀態(tài)而導(dǎo)致的影響，并計算出運算放大器參數(shù)對應(yīng)用的影響。由于運算放大器以非標準方式使用，可能還必須進行某些實驗，這些實驗所用的放大器不一定具有典型性。因此，解讀實驗結(jié)果時不宜過于樂觀。