關(guān)于比較器

比較器IC 旨在比較輸入端出現(xiàn)的電壓，并輸出表示它們之間凈差異符號(hào)的電壓。在比較器電路中，如果差分輸入電壓高于輸入失調(diào)電壓（V OS ），加上所需的過驅(qū)動(dòng)，則輸出擺動(dòng)到表示邏輯 1的電壓。 。實(shí)際上，比較器可以被認(rèn)為是一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。除了作為A / D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組件外，比較器還廣泛用于電平檢測(cè)，開關(guān)控制，時(shí)鐘恢復(fù)電路，窗口檢測(cè)器和施密特觸發(fā)器。

運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）可以 - 并經(jīng)常用作比較器，無論是開環(huán)還是高增益模式，但更好的方法是使用為此目的而優(yōu)化的特殊集成電路。 比較器的輸出級(jí)連接比運(yùn)算放大器更靈活。運(yùn)算放大器使用推挽輸出，通常盡可能靠近電源軌擺動(dòng)，而某些比較器可能具有開路集電極輸出和接地發(fā)射極。這允許輸出級(jí)的上拉電壓源在很寬的范圍內(nèi)變化，允許比較器連接到各種邏輯系列或負(fù)載電路。降低上拉電阻的值，提供增加的電流，將提高開關(guān)速度和抗噪性，但代價(jià)是增加功耗。比較器通常具有允許在正確時(shí)間選通輸入的鎖存器和關(guān)閉功能，可在不需要比較器時(shí)節(jié)省功耗。

內(nèi)置通過基本上“開環(huán)”運(yùn)行來盡可能快地比較兩個(gè)電平，比較器通常缺少內(nèi)部米勒補(bǔ)償電容器或集成電路，因此具有非常寬的帶寬。因此，比較器通常配置為沒有負(fù)反饋（如果需要控制的高增益，則配置非常小）。

這種負(fù)反饋的缺失意味著，與運(yùn)算放大器電路不同，輸入阻抗不會(huì)乘以環(huán)路增益。結(jié)果，輸入電流隨著比較器的切換而變化。因此，驅(qū)動(dòng)阻抗以及寄生反饋可以在影響電路穩(wěn)定性方面起關(guān)鍵作用。雖然負(fù)反饋傾向于將放大器保持在其線性區(qū)域內(nèi)，但正反饋迫使它們進(jìn)入飽和狀態(tài)。

遲滯的作用是什么？

即使沒有實(shí)際的反饋電路，輸出的電容性線性也是如此輸入（通常是非反相輸入），或輸出電流耦合到地（非反相輸入經(jīng)常連接到地）可能導(dǎo)致比較器電路變得不穩(wěn)定。保護(hù)高阻抗節(jié)點(diǎn)并注意布局和接地有助于最大限度地減少這些耦合效應(yīng)。鎖定也很有幫助。

但這些措施并不總是可以防止不穩(wěn)定。一種經(jīng)常有效的解決方案是使用正反饋來引入少量滯后。這具有分離上行和下行切換點(diǎn)的效果，這樣一旦轉(zhuǎn)換開始，輸入必須經(jīng)歷顯著的反轉(zhuǎn)，然后才能發(fā)生反向轉(zhuǎn)換。

當(dāng)處理緩慢變化的信號(hào)時(shí)，即使有少量疊加噪聲，當(dāng)輸入穿過并重新穿過閾值區(qū)域時(shí)，比較器往往會(huì)產(chǎn)生多個(gè)輸出轉(zhuǎn)換或反彈（圖1）。在任何應(yīng)用中都會(huì)出現(xiàn)噪聲信號(hào)，特別是在工業(yè)環(huán)境中。當(dāng)信號(hào)越過閾值區(qū)域時(shí)，噪聲被開環(huán)增益放大，導(dǎo)致輸出短暫地來回反彈。這在大多數(shù)應(yīng)用中是不可接受的，但通?？梢酝ㄟ^引入滯后來解決。

何處使用滯后

除比較器降噪外，還使用了系統(tǒng)滯后。 - 控制，以避免泵，爐和電機(jī)過度頻繁循環(huán)。在最簡單的應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)低于或高于參考設(shè)定點(diǎn)時(shí)，控制器打開和關(guān)閉執(zhí)行器。在滯后的情況下，執(zhí)行器保持打開，直到參數(shù)略高于設(shè)定值，開關(guān)，然后保持關(guān)閉，直到參數(shù)下降到低于設(shè)定值的值。發(fā)生切換的電平稱為高閾值電壓和低閾值電壓，V th 和V tl 。家用恒溫器的一個(gè)示例是設(shè)定點(diǎn)滯后，它使用某種形式的比較器來打開或關(guān)閉爐子。允許滯后幾度的溫度變化可以減少家庭環(huán)境中不必要的循環(huán)。圖2顯示了用于溫度控制的比較器IC的典型電路。

設(shè)計(jì)具有遲滯的比較器電路

通過反饋到正輸入小電流來應(yīng)用遲滯輸出電壓的一部分（處于上限或下限）。該電壓為輸入增加了極性敏感的偏移，增加了閾值范圍。

使用選定的比較器，設(shè)計(jì)人員必須確定是以反相還是非反相配置使用它，即正過驅(qū)動(dòng)是否將輸出切換為負(fù)或正限制。一些比較器具有正輸出和負(fù)輸出，為它們?cè)谙到y(tǒng)中的使用賦予了很大的靈活性。通過將正輸入端子連接到正輸出和參考源之間的雙電阻分壓器的抽頭，可以應(yīng)用遲滯;反饋的輸出電壓量取決于電阻比。這將釋放反相輸入以直接連接輸入信號(hào)，如圖2所示。

如果信號(hào)應(yīng)用于非反相輸入 ，其源阻抗應(yīng)足夠低，以對(duì)輸入定標(biāo)或滯后比率產(chǎn)生不顯著影響。為了從器件中獲得最大性能，滯后應(yīng)該足夠大，以克服V OS （在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)）加上所需的過驅(qū)動(dòng)，這可以從制造商的數(shù)據(jù)表中確定。增加過驅(qū)動(dòng)會(huì)減少器件的傳播延遲。所需的過驅(qū)動(dòng)水平隨著環(huán)境溫度的增加而增加。

圖3和圖4顯示了使用雙電源滯后。在圖3中，信號(hào)被施加到反相輸入。輸出與輸入關(guān)系曲線顯示切換點(diǎn)附近。 R2通常比R1高得多。如果R 2 是無窮大，則沒有滯后，并且器件將在V ref 處切換。滯后由輸出電平和電阻比R 1 /（R 1 + R 2 ）和開關(guān)點(diǎn)電壓決定通過衰減率R 2 /（R 1 + R 2 ）從V ref 稍微偏移。< / p>

在圖4中，信號(hào)通過R1施加到非反相輸入。由于輸入信號(hào)稍微衰減，滯后將略大于反相情況。

如果參考電壓位于比較器的高輸出電壓和低輸出電壓之間（如前所述）使用對(duì)稱電源和接地參考），滯后的引入將使高閾值和低閾值移動(dòng)與參考相等的距離。如果參考電壓比另一個(gè)輸出更接近一個(gè)輸出，則閾值將不對(duì)稱地放置在參考電壓附近。

在單電源比較器操作中，需要抵消參考，使電路完全在第一象限內(nèi)運(yùn)行。圖5顯示了如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。電阻分壓器（R2和R1）產(chǎn)生一個(gè)正參考電壓，與輸入進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)直流閾值的公式如圖所示。

在上述配置中，在反饋電阻上放置一個(gè)電容會(huì)在反饋網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)極點(diǎn)。這具有增加高頻滯后量的“觸發(fā)”效應(yīng)。當(dāng)輸入是存在高頻噪聲時(shí)相對(duì)緩慢變化的信號(hào)時(shí)，這非常有用。在大于f（p）= 1 /（2πC f R f ）的頻率下，滯后接近V th = V cc 和V tl = 0V。在小于f（p）的頻率下，閾值電壓保持如公式所示。

對(duì)于具有互補(bǔ)（Q和 Q ）輸出，正反饋和滯后的比較器，可以用兩種方式實(shí)現(xiàn)。如圖6所示。圖6b的優(yōu)點(diǎn)是可以在不加載信號(hào)源的情況下獲得正輸入 - 輸出關(guān)系。

圖7顯示了一個(gè)電路。使用單電源部分將雙極性信號(hào)與地面進(jìn)行比較。

影響滯后的變量

比較器線性區(qū)域的偏移電壓，輸入偏置電流和有限增益均限制了開關(guān)閾值的精度，V th < / sub>和V tl 。輸入偏置電流通常不是問題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)應(yīng)用使用小型源電阻來利用比較器的高速。雖然它降低了功耗，但高源阻抗會(huì)增加比較器的傳播延遲。為了保持所需的過驅(qū)動(dòng)低，偏移量應(yīng)盡可能小。當(dāng)設(shè)計(jì)中需要極低的偏移時(shí)，可以使用開環(huán)放大器代替比較器。

跳變點(diǎn)精度（帶滯后）也受器件到器件V oh 和V ol 。一種可能的補(bǔ)救措施是使用可編程參考，但是這個(gè)過程可能變得昂貴且耗時(shí)。更好的方法雖然仍然有些麻煩，但是當(dāng)它變高時(shí)，使用精密鉗位電路將輸出保持在固定值（圖8）。

結(jié)論

設(shè)計(jì)人員可以使用遲滯來消除比較器電路由于噪聲引起的不穩(wěn)定性。遲滯是可靠的，并且可以使用少量的正反饋進(jìn)行預(yù)測(cè)。