Q.什么是比較器？它與運(yùn)算放大器有何不同？

A.高增益比較器的基本功能是確定輸入電壓是高于還是低于基準(zhǔn)電壓，并將該決定表示為由輸出限值確定的兩個電壓電平之一。比較器有多種用途，包括：極性識別、1位模數(shù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)驅(qū)動、方波/三角波生成和脈沖邊沿生成。

原則上，任何高增益放大器都可用于執(zhí)行這一簡單決定。但“魔鬼在細(xì)節(jié)中”。因此，設(shè)計為運(yùn)算放大器的器件和設(shè)計為比較器的器件之間存在一些基本差異。例如，為了與數(shù)字電路一起使用，許多比較器具有鎖存輸出，并且所有比較器都設(shè)計為具有與數(shù)字電壓電平規(guī)格兼容的輸出電平。對于設(shè)計師來說，還有一些重要的差異 - 它們將在這里討論。

Q.在哪些情況下，人們可以走任何一條路？

A.在需要低失調(diào)和漂移以及低偏置電流和低成本的應(yīng)用中，應(yīng)考慮將放大器用作比較器。另一方面，在許多設(shè)計中，放大器不能被視為比較器，因為它從輸出飽和恢復(fù)時間長，傳播延遲長，并且不方便使其輸出與數(shù)字邏輯兼容。此外，動態(tài)穩(wěn)定性也是一個問題。

然而，使用放大器作為比較器具有成本和性能優(yōu)勢——如果清楚地了解它們的異同，并且應(yīng)用可以容忍放大器的速度通常較慢。沒有人可以聲稱放大器在所有情況下都可以作為比較器的直接替代品，但對于需要高精度比較的低速情況，一些新型放大器的性能無法與具有更大噪聲和失調(diào)的比較器的性能相提并論。在一些輸入緩慢變化的應(yīng)用中，噪聲會導(dǎo)致比較器輸出來回快速擺動（參見“用遲滯解決比較器不穩(wěn)定性”，《模擬對話》，第34卷，2000年）。此外，在使用雙通道運(yùn)算放大器代替運(yùn)算放大器和比較器的應(yīng)用中，或者在四通道封裝中的四個放大器中的三個已經(jīng)承諾，并且必須比較兩個直流或緩慢變化的信號的設(shè)計中，可以節(jié)省成本或有價值的印刷電路板（PCB）面積。

Q.第四個放大器可以用作比較器嗎？

A.這是當(dāng)今許多系統(tǒng)設(shè)計人員都在問我們的問題。購買一個四通道運(yùn)算放大器，只使用三個通道，然后購買一個單獨(dú)的比較器是沒有意義的——如果該放大器確實可以簡單地用于比較功能的話。但要明確的是，放大器不能在所有情況下都可互換用作比較器。例如，如果應(yīng)用要求在不到一微秒的時間內(nèi)比較信號，則添加比較器可能是唯一的方法。但是，如果您了解放大器和比較器之間的內(nèi)部架構(gòu)差異，以及這些差異如何影響這些IC在應(yīng)用中的性能，則可能能夠獲得使用單個芯片的固有效率。

在這些頁面中，我們將介紹IC放大器技術(shù)的兩個分支之間的參數(shù)差異，并提供使用放大器作為比較器的有用提示。

Q.那么放大器和比較器有何不同呢？

A.總體而言，運(yùn)算放大器經(jīng)過優(yōu)化，可為精密閉環(huán)（反饋）電路中指定的線性輸出值范圍提供精度和穩(wěn)定性（直流和動態(tài)）。然而，當(dāng)開環(huán)放大器用作比較器時，其輸出在其限值之間擺動，其內(nèi)部補(bǔ)償電容（用于提供動態(tài)穩(wěn)定性）會導(dǎo)致輸出緩慢地從飽和狀態(tài)出來并在其輸出范圍內(nèi)擺動。另一方面，比較器通常設(shè)計為開環(huán)工作，輸出在指定的電壓上限和下限之間擺擺，以響應(yīng)兩個輸入之間的凈差信號。由于它們不需要運(yùn)算放大器的補(bǔ)償電容，因此速度非?？臁?/p>

如果比較器的輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓加失調(diào)的正電壓—V這（零基準(zhǔn)電壓源，它只是偏移）加上所需的過驅(qū)（由于增益和輸出非線性有限），輸出端出現(xiàn)一個對應(yīng)于邏輯“1”的電壓。當(dāng)輸入小于V時，輸出將處于邏輯“0”這和所需的過載。實際上，比較器可以被認(rèn)為是一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

指定比較器和放大器有不同的方法。例如，在放大器中，失調(diào)電壓是必須施加到輸入端的電壓，以將輸出驅(qū)動到對應(yīng)于理想零輸入的指定中間值。在比較器中，此定義被修改為輸出端1至0之間的指定電壓范圍內(nèi)居中。在具有TTL兼容輸出的比較器中，比較器的“低”輸出值（邏輯0）的額定值小于0.4 V最大值，而對于低壓放大器，低輸出值非常接近其負(fù)電源軌（例如，單電源系統(tǒng)中為0 V）。圖1比較了典型放大器和比較器型號的低輸出值，每個型號均施加–1 mV差分輸入。

圖1.單電源放大器（63 pV）和比較器（280 mV）型號對–1 mV輸入電壓差的響應(yīng)。

比較器旨在盡快比較兩個電平，沒有運(yùn)算放大器中常見的內(nèi)部補(bǔ)償電容（“Miller”電容），其輸出電路能夠比運(yùn)算放大器更靈活地激勵。由于沒有補(bǔ)償電路，比較器提供了非常寬的帶寬。在輸出端，普通運(yùn)算放大器使用推挽式輸出電路，在指定的電源電壓之間實現(xiàn)基本對稱的擺幅，而比較器通常具有帶接地發(fā)射極的“集電極開路”輸出。這意味著比較器的輸出可以通過低值集電極負(fù)載電阻（“上拉”電阻）返回到與主正電源不同的電壓。該特性允許比較器與各種邏輯系列接口。使用較低的上拉電阻值可提高開關(guān)速度和抗擾度，但代價是功耗增加。

由于比較器很少配置負(fù)反饋，因此其（差分）輸入阻抗不會像運(yùn)算放大器電路那樣乘以環(huán)路增益。因此，當(dāng)比較器切換時，輸入信號會看到負(fù)載變化和（小）輸入電流的變化。因此，在某些條件下，必須考慮驅(qū)動點(diǎn)阻抗。雖然負(fù)反饋使放大器保持在其線性輸出區(qū)域內(nèi)，因此大多數(shù)內(nèi)部工作點(diǎn)的變化很小，但正反饋通常用于迫使比較器進(jìn)入飽和狀態(tài)（并提供遲滯以降低噪聲靈敏度）。比較器的輸入通常適應(yīng)較大的信號擺幅，而由于接口要求，其輸出范圍有限，因此比較器內(nèi)部需要大量快速電平轉(zhuǎn)換。

放大器和比較器之間的上述差異都是有原因的，其主要目標(biāo)是盡快比較快速變化的信號。但是，為了比較低速信號（特別是在需要亞mV分辨率的情況下），ADI公司的一些新型軌到軌放大器可能比比較器更好。

問：好的。我可以看到總體上存在差異。對于想要使用運(yùn)算放大器代替比較器的設(shè)計人員來說，他們看起來如何？

A.以下是六個要點(diǎn)：

1. 考慮 V這和我B非線性與輸入共模電壓的關(guān)系

使用電壓比較器時，通常的做法是將一個輸入端子接地并使用單端輸入。主要原因是輸入級的共模抑制能力差。相比之下，許多放大器具有非常高的共模抑制，并且能夠在存在大共模信號的情況下檢測微伏級差異。圖2顯示了AD8605運(yùn)算放大器采用100 V共模電壓時對3 mV差分階躍的響應(yīng)。

圖2.開環(huán)AD8605在100 V共模電壓下對3 mV差分階躍的響應(yīng)。請注意 0V 和 5V 電源軌之間的基本線性擺動，以及干凈的飽和度。

但是，對于許多人來說軌到軌輸入放大器，輸入失調(diào)電壓（V這)和輸入偏置電流（IB)在輸入共模電壓范圍內(nèi)呈非線性。使用這些放大器時，用戶需要在設(shè)計中考慮這種變化。如果將閾值設(shè)置為零共模，但器件用于其他共模電平，則產(chǎn)生的邏輯電平可能與預(yù)期不符。例如，當(dāng)比較該范圍內(nèi)某些電平的2 mV差時，器件在零共模時失調(diào)為5 mV，在整個共模范圍內(nèi)失調(diào)為6至3 mV，可能會給出錯誤的輸出。

2. 注意輸入保護(hù)二極管

許多放大器的輸入端都有保護(hù)電路。當(dāng)兩個輸入的差分電壓大于標(biāo)稱二極管壓降（例如0.7 V）時，保護(hù)二極管開始導(dǎo)通，輸入擊穿。因此，查看放大器的輸入結(jié)構(gòu)并確保其能夠適應(yīng)預(yù)期的輸入信號范圍至關(guān)重要。有些放大器，如OP777 / OP727 / OP747，沒有保護(hù)二極管; 其輸入可適應(yīng)高達(dá)電源電壓電平的差分信號。圖3顯示了OP777輸入端對大差分信號的響應(yīng)。在這種情況下，許多放大器的輸入會發(fā)生故障，而OP777的響應(yīng)正確。CMOS輸入放大器的輸入端沒有保護(hù)二極管，其輸入差分電壓可以擺幅為軌到軌。但請記住，在某些情況下，在輸入端施加較大的差分信號會導(dǎo)致放大器參數(shù)發(fā)生顯著變化。

圖3.OP777放大器對±2 V、1 kHz信號的響應(yīng)，偏置+2V，與+0.5 V直流電平進(jìn)行比較。請注意，此大擺幅沒有相位反轉(zhuǎn)。但是，在距負(fù)供電軌+0.5 V的共模電平下，增益相當(dāng)?shù)?，從所需的大約0.3 V過驅(qū)可以看出。

3. 注意輸入電壓范圍規(guī)格和反相趨勢：

與通常輸入電壓在同一電平下工作的運(yùn)算放大器不同，比較器通常會在其輸入端看到較大的差分電壓擺幅。但一些沒有軌到軌輸入的比較器被規(guī)定具有有限的共模輸入電壓范圍。如果輸入超過器件的指定共模范圍（即使在指定的信號范圍內(nèi)），比較器可能會錯誤響應(yīng)。對于一些采用結(jié)型FET（JFET）和雙極性技術(shù)設(shè)計的舊型放大器，情況也可能如此。當(dāng)輸入共模電壓超過一定限值（IVR）時，輸出將經(jīng)歷相位反轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象可能是有害的。因此，選擇過驅(qū)動時不會出現(xiàn)反相的放大器絕對至關(guān)重要。這是使用具有軌到軌輸入的放大器可以克服的一類問題。

4. 考慮飽和度恢復(fù)

典型的運(yùn)算放大器不是設(shè)計用作快速比較器，因此當(dāng)放大器輸出被驅(qū)動到一個極端時，各個增益級將進(jìn)入飽和狀態(tài)，為補(bǔ)償電容和寄生電容充電。放大器和比較器之間的設(shè)計區(qū)別在于比較器中增加了箝位電路以防止內(nèi)部飽和。當(dāng)放大器被推入飽和狀態(tài)時，它需要一段時間才能恢復(fù)，然后擺動到新的最終輸出值，具體取決于輸出結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償電路。由于從飽和狀態(tài)需要時間，放大器用作比較器時比在閉環(huán)配置中受控使用時慢?？梢栽谠S多放大器數(shù)據(jù)手冊中找到飽和恢復(fù)信息。圖4顯示了兩個常用放大器（AD8061和AD8605）的飽和恢復(fù)曲線。這些放大器的輸出結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)推挽軌到軌共發(fā)射極。

圖4.在閉環(huán)配置中恢復(fù)兩個常用放大器。

5. 影響過渡時間的因素

速度是放大器和比較器系列之間的區(qū)別之一。傳播延遲是比較器在其輸入端比較兩個信號以及其輸出達(dá)到兩個輸出邏輯電平之間的中點(diǎn)所花費(fèi)的時間。傳播延遲通常由過驅(qū)指定，過驅(qū)是施加的輸入電壓與給定時間內(nèi)開關(guān)所需的基準(zhǔn)電壓之間的電壓差。在下圖中，將幾種軌到軌CMOS放大器的響應(yīng)與常用比較器進(jìn)行比較。所有放大器的配置如圖5（a-e）所示，施加電壓，在在， = ±0.2 V，以 0 V 為中心。對于比較器，使用10 kΩ上拉電阻代替地負(fù)載。放大器速度差異很大，但由于飽和和較低的壓擺率，它們都比比較器慢得多。

圖 5a. 放大器電路。

圖 5b. 正步長。

圖 5c. 負(fù)步長。

圖 5d. 正步長。

圖 5e. 負(fù)步長。

圖5.比較器和三個開環(huán)放大器型號的響應(yīng)比較，±0.2 V驅(qū)動。一個。放大電路配置。b. 積極的步驟。c. 負(fù)步。然后，施加50 mV信號和20 mV過驅(qū)。周期 = 10 μs。d. 積極的步驟。e. 負(fù)階梯。

雖然大多數(shù)比較器的額定過驅(qū)為2 mV至5 mV，但大多數(shù)高精度、低輸入失調(diào)放大器可以在低至0.05 mV的過驅(qū)下可靠工作。施加在輸入端的過驅(qū)量對傳播延遲有顯著影響。圖6顯示了AD8605對多個過驅(qū)動電壓值的響應(yīng)。

圖6.AD8605作為比較器對過驅(qū)為1、10和100 mV的步進(jìn)輸入的響應(yīng)。

由于放大器被允許消耗更多的功率，它們的速度會大大提高，因此它們可以在上升和下降時間方面與比較器競爭。圖7包括一個示例——對于壓擺率為8061 V/μs的AD300，在響應(yīng)正弦過零輸入的開環(huán)配置中，輸出恢復(fù)時間為19 ns。然而，使用放大器作為比較器的最大缺點(diǎn)之一通常是其功耗，因為通?？梢哉业较妮^少電源電流（我他），但仍然運(yùn)行良好。當(dāng)然，對于使用線路電源的儀器，功耗通常不是很大的驅(qū)動因素。此外，許多放大器都有一個關(guān)斷引腳，這是比較器中很少提供的功能;它可以用來節(jié)省電力。

圖7.AD8061作為過零比較器的響應(yīng)

在圖8中，AD8061的階躍響應(yīng)與常用的LM139以及另外兩個開環(huán)放大器的階躍響應(yīng)進(jìn)行了比較，它們采用與圖6相同的電路配置連接?？梢钥闯?，AD8061的響應(yīng)速度在300 ns內(nèi)，比LM139更快。這是以更高的電流消耗為代價實現(xiàn)的。

圖8.三個放大器和一個常用比較器的階躍響應(yīng)。請注意AD8061的響應(yīng)速度特別快。

6. 考慮與不同邏輯族接口的方式

當(dāng)今許多軌到軌輸出放大器采用5 V至15 V單電源供電，可輕松提供TTL或CMOS兼容輸出，無需額外的接口電路。如果邏輯電路和運(yùn)算放大器共用同一電源，則軌到軌運(yùn)算放大器將相當(dāng)成功地驅(qū)動CMOS和TTL邏輯系列，但如果運(yùn)算放大器和邏輯電路需要不同的電源電平，則需要額外的接口電路。例如，考慮一個采用±5 V電源的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器必須采用+5 V電源驅(qū)動邏輯：由于如果對其施加–5 V電壓，邏輯容易損壞，因此必須特別注意接口電路的設(shè)計。

圖9所示為與邏輯電路接口的OP1177（雙電源放大器），圖10所示為其對100 mV過驅(qū)的響應(yīng)。與 ±±5V 工作電壓相比，采用 15V 電源時，靜態(tài)功耗更低，并且由于輸出級耗散引起的熱反饋降至最低。較低的電源電壓還降低了OP1177的上升和下降時間，因為輸出在減小的電壓范圍內(nèi)擺動，從而縮短了輸出響應(yīng)時間。

如果OP1177輸出端沒有保護(hù)電路，輸出擺幅將降至+VCC2和 –V德斯;這些電平可能對下游邏輯電路有害。添加Q2和D2可防止輸出變?yōu)樨?fù)值，并將限制轉(zhuǎn)換為TTL兼容的輸出電平。D2箝位輸出，使其不會低于0.7 V，從波形V（D2，2）可以看出。V 的值抄送可以選擇Q2（本分析選擇5 V），從而產(chǎn)生正確的邏輯電平，如波形V所示外.

圖9.OP1177連接用于比較器工作，帶有用于TTL輸出的轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路。

圖 10.OP1177比較器電路的響應(yīng)波形

為了節(jié)省功耗，可以使用N溝道MOSFET代替圖9所示的NPN晶體管。

Q.所以底線是...

A.放大器可用作比較器，在低頻下具有出色的精度。事實上，為了比較具有微伏級分辨率的信號，精密放大器是唯一實用的選擇。當(dāng)使用自由放大器通道來滿足比較器要求時，它們也可以成為多通道運(yùn)算放大器用戶的經(jīng)濟(jì)選擇。精明的設(shè)計人員可以在優(yōu)化設(shè)計的同時節(jié)省資金，如果他們不厭其煩地：了解放大器和比較器之間的異同;閱讀放大器的數(shù)據(jù)手冊，了解正確的特性;了解恢復(fù)時間、速度和功耗的權(quán)衡;并愿意使用配置為比較器的放大器來驗證設(shè)計。

審核編輯：郭婷