比較器用于開(kāi)環(huán)系統，旨在從其輸出端驅動(dòng)邏輯電路，以及在高速條件下工作，通常比較穩定。

 

運算放大器過(guò)驅時(shí)可能會(huì )飽和，使得恢復速度相對較慢。施加較大差分電壓時(shí)，很多運算放大器的輸入級都會(huì )出現異常表現，實(shí)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(shí)或許可行，但是大多數情況下結果并不理想。今天小編就給大家說(shuō)說(shuō)這“結果并不理想”的原因。

 

1、速度不同

 

大多數比較器速度都很快，不過(guò)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(shí)會(huì )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(shí)，差分輸入電壓一般會(huì )在負反饋的作用下降至最低。當運算放大器過(guò)驅時(shí)，有時(shí)僅幾毫伏也可能導致過(guò)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(cháng)的時(shí)間從飽和中恢復，因此，如果發(fā)生飽和，其速度將比始終不飽和時(shí)慢得多（參見(jiàn)圖1）。

圖1：放大器用作比較器時(shí)的放大器速度飽和效應

 

過(guò)驅的運算放大器的飽和恢復時(shí)間很可能遠遠超過(guò)放大器的正常群延遲，并且通常取決于過(guò)驅量。由于僅有少數運算放大器明確規定從不同程度過(guò)驅狀態(tài)恢復所需的時(shí)間，因此，一般說(shuō)來(lái)，有必要根據特定應用的具體過(guò)驅情況，通過(guò)實(shí)驗確定放大器的特性。

 

對這類(lèi)實(shí)驗的結果應持謹慎態(tài)度，通過(guò)比較器（運算放大器）的傳播延遲值（用于最差條件下的設計計算）應至少為所有實(shí)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動(dòng)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(dòng)。

 

通常，比較器驅動(dòng)的邏輯電路不會(huì )共用運算放大器的電源，運算放大器軌到軌擺動(dòng)可能會(huì )超出邏輯供電軌，很可能會(huì )破壞邏輯電路，引起短路后還可能會(huì )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引邏輯系列?；谏鲜鲈?，當應用中涉及ECL的最高速度時(shí)，運算放大器不太可能會(huì )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動(dòng)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(gè)電阻即可，如圖2所示。

 

圖2：驅動(dòng)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(shí)，柵級電平為–0.8V；當輸出較低時(shí)，柵級電平為–1.6V。ECL有時(shí)候采用正電源而不是負電源（即另外一個(gè)供電軌接地），這種情況下采用的基本接口電路相同，但是數值必須重新計算。

 

雖然CMOS和TTL的輸入結構、邏輯電平和電流差別很大（即便有些CMOS明確規定可以采用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(shí)工作，因此非常適合采用相同的接口電路。

 

圖3：驅動(dòng)TTL或CMOS邏輯電路的運算放大器比較器

 

最簡(jiǎn)單的接口采用單個(gè)N溝道MOS晶體管和一個(gè)上拉電阻RL（如圖3所示）。用NPN晶體管、RL，外加一個(gè)晶體管和二極管也可以組成類(lèi)似的電路。這些電路簡(jiǎn)單、廉價(jià)且可靠，還可以連接多個(gè)并聯(lián)晶體管和一個(gè)RL，實(shí)現“線(xiàn)或”功能，但是0-1轉換的速度取決于RL值和輸出節點(diǎn)的雜散電容。RL值越低，速度越快，但是功耗也會(huì )隨之增加。通過(guò)采用兩個(gè)MOS器件、一個(gè)P溝道和一個(gè)N溝道，可以組成一個(gè)只需兩個(gè)器件的CMOS/TTL接口，每種狀態(tài)下都沒(méi)有靜態(tài)功耗（參見(jiàn)圖4）。

 

圖4：內置CMOS驅動(dòng)器的運算放大器比較器

 

此外，只需改變器件的位置，就可以設置成反相或同相。但是，當兩個(gè)器件同時(shí)打開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)過(guò)程中勢必會(huì )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(lái)減小浪涌電流的影響。該圖和圖3中的應用所采用的MOS器件柵源擊穿電壓VBGS在每個(gè)方向都必須大于比較器的輸出電壓。MOS器件中常見(jiàn)的柵源擊穿電壓值VBGS>±25V，這一數值通常綽綽有余，但是很多MOS器件內置柵級保護二極管，會(huì )減小這一數值，所以這些器件不應采用。

 

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是：它們具有無(wú)窮大的輸入阻抗，并且可視為開(kāi)路（電流反饋（跨導）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置更復雜的輸入電路，在施加的差分電壓小于幾十毫伏時(shí)只具有高阻抗，或者在差分電壓大于幾十伏時(shí)可能會(huì )損壞。因此，將運算放大器用作比較器時(shí)，如果施加大差分電壓，必須仔細研究數據手冊，才能確定輸入電路的工作方式。（采用集成電路時(shí)，務(wù)必研究數據手冊，確保其非理想特性（每個(gè)集成電路都存在一些非理想特性）兼容推薦的應用，本文中這點(diǎn)尤為重要）。圖5所示為內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構

 

當然，有一些比較器應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，其輸入電路表現為非線(xiàn)性，但是涉及的問(wèn)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(gè)電源（通常為負電源），幾乎都會(huì )表現異常。其反相和同相輸入可能會(huì )互換。如果運算放大器用作比較器時(shí)發(fā)生這種情況，涉及的系統相位將會(huì )反轉，造成極大不便。要解決這一問(wèn)題，還是必須仔細閱讀數據手冊，確定合適的共模范圍。

 

而且，沒(méi)有負反饋意味著(zhù)輸入阻抗不必乘以開(kāi)環(huán)增益，這與運算放大器電路不同。因此，輸入電流會(huì )隨著(zhù)比較器開(kāi)關(guān)而變化。驅動(dòng)阻抗和寄生反饋也因此對影響電路穩定性起著(zhù)重要作用。負反饋往往會(huì )使放大器保持在線(xiàn)性區域內，正反饋則會(huì )使其飽和。

 

最后的建議

 

運算放大器設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，在某些應用中，將運算放大器用作比較器卻是正確的設計決策，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期的性能。因此，必須仔細閱讀數據手冊，認真考慮由于運算放大器性能達不到理想狀態(tài)而導致的影響，并計算出運算放大器參數對應用的影響。由于運算放大器以非標準方式使用，可能還必須進(jìn)行某些實(shí)驗，這些實(shí)驗所用的放大器不一定具有典型性。因此，解讀實(shí)驗結果時(shí)不宜過(guò)于樂(lè )觀(guān)。