【導(dǎo)讀】輸入共模電壓范圍(通??s寫為 VCM 或 VICR)這一術(shù)語在模擬領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可,但在比較器領(lǐng)域卻難以讓人理解。對(duì)于放大器,VCM 定義為施加到兩個(gè)輸入端的平均電壓。但是對(duì)于比較器,其含義完全不同。
比較器的正常運(yùn)行意味著兩個(gè)輸入端交叉,從而導(dǎo)致輸出發(fā)生變化。我們來分析一下圖 1 所示的同相比較器配置,其瞬態(tài)行為如圖 2 所示。
圖 1:同相比較器配置
圖 2:同相比較器瞬態(tài)行為
在圖 2 中,如果同相端(橄欖綠色)電壓大于反相端(紅色)電壓,則輸出(綠色)為高電平。如果反相端電壓大于同相端電壓,則輸出為低電平。比較器的輸入 VCM 是兩個(gè)輸入電壓相互交叉的開關(guān)點(diǎn)。仍可確保正常運(yùn)行的開關(guān)點(diǎn)電壓范圍稱為比較器的輸入 VCM。
表 1 顯示了 LM393 的 VCM,其范圍為負(fù)電源電壓 V– 至低于正電源電壓 V+ 1.5V 或 2V,具體取決于器件的溫度。
表1:來自 LM393 數(shù)據(jù)表“表 6.7 電氣特性”
如果在室溫下使用 3.3V 電源為該器件供電,則該器件的輸入 VCM 介于接地和 1.8V 之間。如果開關(guān)點(diǎn)移至高于 1.8V,則器件可能無法正常工作。如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓超出 VCM 的范圍,則可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不正常。
什么限制了輸入 VCM?
比較器的輸入級(jí)限制了輸入 VCM。讓我們首先看一下 TL331 數(shù)據(jù)表中的功能方框圖(圖 3)。輸入級(jí)包含一個(gè) P 溝道、N 溝道、P 溝道 (PNP) 差分對(duì),其發(fā)射極連接到一個(gè)電流源。為了使差分對(duì)上的 PNP 晶體管導(dǎo)通,發(fā)射極到基極需要存在電壓降 (VEB)(對(duì)于 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置,為基極到發(fā)射極壓降 [VBE])。
圖 3:TL331 功能方框圖
電流源通常是電流鏡,如圖 4 所示。要使電流源工作,Q2 的發(fā)射極至集電極電壓需要超過最小正向有效電壓要求 (VEC (Sat))。
圖 4:PNP 電流鏡
隨著比較器輸入電壓的增加,可滿足差分對(duì)晶體管的 VEB 導(dǎo)通和電流鏡晶體管的 VEC (Sat) 的余量越來越小。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),VEC 開始減小,而 VEB 仍然保持穩(wěn)定。當(dāng) VEC (Sat) 不超過 Q2 時(shí),電流鏡的電流產(chǎn)生能力顯著降低,因此一些比較器的 VCM 會(huì)上升到低于電源電壓的值。其他具有 NPN 晶體管輸入級(jí)的器件指定的 VCM 范圍為某個(gè)值至正電源電壓。
為何即使在超過數(shù)據(jù)表上輸入 VCM 的情況下設(shè)計(jì)也能有效
數(shù)據(jù)表中的 VCM 值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能。回顧圖 4 中的 TL331 示例,可知 VBE 和 VCE 隨溫度波動(dòng)。
圖 5、6 和 7 顯示了 LM393 在與圖 1 類似的同相配置下的性能。在這種情況下,電源電壓設(shè)置為 5V。100Hz、1 Vpp、3.9 VDC 斜坡波形(黃色)連接到同相端,同時(shí)將 3.9 VDC 基準(zhǔn)信號(hào)(紫色)施加到反相端。這是一個(gè)應(yīng)用示例,其中 3.9V 的開關(guān)點(diǎn)超出了 VCM 的范圍;對(duì)于該電源,兼容的 VCM 為 3V 或更低。
在室溫下,比較器在超過 3.9V 時(shí)工作并切換,如圖 5 所示。比較器在溫度升高時(shí)也能工作,如圖 6 所示。當(dāng)冷卻器件時(shí),它開始出現(xiàn)故障,如圖 7 中的輸出(綠色)所示。
圖 5:LM393 在 VCM 范圍之外的室溫性能
圖 6:LM393 在 VCM 范圍之外的高溫性能
圖 7:LM393 在 VCM 范圍之外的低溫性能
當(dāng)降低輸入電壓以確保開關(guān)點(diǎn)處于器件的 VCM 范圍之內(nèi)時(shí),該器件在所有溫度范圍內(nèi)都能正常工作。斜坡波形現(xiàn)在處于 2V 的較低直流失調(diào)電壓(以 2V 為基準(zhǔn)),確保開關(guān)點(diǎn)處于 VCM 范圍之內(nèi)。圖 8、9 和 10 顯示了 LM393 如何在整個(gè)溫度范圍內(nèi)正常工作。
圖 8:LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的室溫性能
圖 9:LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的高溫性能
圖 10:LM393 在 VCM 范圍之內(nèi)的低溫性能
可通過單個(gè)單元獲取所有這些示波器捕獲。如果要測(cè)試另一個(gè) LM393 樣片,則指定 VCM 范圍之外的性能可能會(huì)有所不同。在室溫下,VCM 上限可能與所測(cè)試的單元不同。這稱為工藝偏差,其中性能可能會(huì)因批次差異或不一致的制造工序而有所變化。
該偏差的最后一個(gè)部分是電壓偏差。在不同的電源電壓下,器件的行為可能會(huì)有所不同。在圖 6、7 和 8 的設(shè)置中,如果電源電壓增加到允許的 36V 上限,且發(fā)生同樣的超出 VCM 范圍的情況,則性能可能會(huì)有所不同。在使用比較器設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),必須使輸入處于 VCM 范圍之內(nèi),以避免這些問題。
結(jié)語
當(dāng)任一輸入超出范圍時(shí),輸入 VCM 可能會(huì)導(dǎo)致器件無法正常工作。超出該范圍會(huì)導(dǎo)致比較器輸入級(jí)的偏置出現(xiàn)問題。請(qǐng)謹(jǐn)記,如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓處于數(shù)據(jù)表規(guī)格之外,則超出了 VCM 的范圍。即使系統(tǒng)在超出 VCM 范圍的情況下能夠正常工作,它也可能在不同的電源電壓、工作溫度下或更換集成電路時(shí)無法正常工作。在創(chuàng)建使用比較器的系統(tǒng)時(shí),應(yīng)使每個(gè)輸入信號(hào)處于輸入 VCM 的數(shù)據(jù)表規(guī)格范圍之內(nèi),以維持 PVT 的功能。
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