运算扩大器和比较器乍看好像能够交换,实际上,两者仍是存在一些重要差异。比较器用于开环体系,旨在从其输出端驱动逻辑电路,以及在高速条件下作业,一般比较稳定。运算扩大器的用处不同于比较器,过驱时或许会饱满,使得康复速度相对较慢。施加较大差分电压时,许多运算扩大器的输入级都会出现反常体现,实际上,运算扩大器的差分输入电压规模一般存在约束。运算扩大器输出也很少兼容逻辑电路。
可是仍有许多人企图将运算扩大器用作比较器。这种做法在低速和低分辨率时或许可行,可是大多数状况下成果并不抱负。单靠参阅运算扩大器数据手册不能处理将运算扩大器用作比较器的一切相关问题,因为运算扩大器规划的意图并非用作比较器。
最常见的问题是速度(之前现已提到过)、输入结构的影响(维护二极管、FET扩大器的相位翻转等)、输出结构(并非用于驱动逻辑电路)、迟滞、稳定性,以及共模效应。
速度考虑要素
大多数比较器速度都很快,不过许多运算扩大器速度也很快。为什么将运算扩大器用作比较器时会形成低速度呢?
比较器用于大差分输入电压,而运算扩大器作业时,差分输入电压一般会在负反应的效果下降至最低。当运算扩大器过驱时,有时仅几毫伏也或许导致过载,其间有些扩大级或许产生饱满。这种状况下,器材需求相对较长的时刻从饱满中康复,因而,假如产生饱满,其速度将比一直不饱满时慢得多(参见图1)。
过驱运算扩大器的饱满康复时刻很或许远远超越扩大器的正常群推迟,并且一般取决于过驱量。因为仅有少量运算扩大器明确规定从不同程度过驱状况康复所需的时刻,因而,一般说来,有必要依据特定运用的详细过驱状况,经过试验确认扩大器的特性。
对这类试验的成果应持慎重情绪,经过比较器(运算扩大器)的传达推迟值(用于最差条件下的规划核算)应至少为一切试验中最差值的两倍。
图1:扩大器用作比较器时的扩大器速度饱满效应
输出考虑要素
比较器的输出端用于驱动特定逻辑电路系列,运算扩大器的输出端则用于在供电轨之间摇摆。
一般,运算扩大器比较器驱动的逻辑电路不会共用运算扩大器的电源,运算扩大器轨到轨摇摆或许会超出逻辑供电轨,很或许会损坏逻辑电路,引起短路后还或许会损坏运算扩大器。
有三种逻辑电路有必要考虑,即ECL、TTL和CMOS。
ECL是一种极快的电流扶引逻辑系列。根据上述原因,当运用中触及ECL的最高速度时,运算扩大器不太或许会用作比较器,因而,一般只需留意从运算扩大器的信号摆幅驱动ECL逻辑电平,因杂散电容形成的额定速度丢失并不重要。只需选用三个电阻即可,如图2所示。
图中选用了R1、R2和R3,当运算扩大器输出为正值时,栅级电平为–0.8 V,当输出较低时,栅级电平为–1.6 V。ECL有时候选用正电源而不是负电源(即别的一个供电轨接地),
选用的根本接口电路相同,可是数值有必要从头核算。
图2:驱动ECL逻辑电路的运算扩大器比较器
虽然CMOS和TTL输入结构、逻辑电平缓电流不同很大(虽然有些CMOS明确规定能够选用TTL输入电平作业),但因为这两种逻辑电路都在逻辑0(挨近0 V)和逻辑1(挨近5 V)时作业,因而十分适宜选用相同的接口电路。
图3:驱动TTL或CMOS逻辑电路的运算扩大器比较器
最简略的接口选用单个N沟道MOS晶体管和一个上拉电阻RL,如图3所示。用NPN晶体管、RL,外加一个晶体管和二极管也能够组成相似的电路。这些电路简略、廉价且牢靠,还能够衔接多个并联晶体管和一个RL,完成“线或”功用,可是0-1转化的速度取决于RL值和输出节点的杂散电容。RL值越低,速度越快,可是功耗也会随之添加。经过选用两个MOS器材、一个P沟道和一个N沟道,能够组成一个只需两个器材的CMOS/TTL接口,每种状况下都没有静态功耗(参见图4)。
图4:内置CMOS驱动器的运算扩大器比较器
此外,只需改动器材的方位,就能够设置成反相或同相。可是,当两个器材一起翻开时,开关过程中势必会产生较大的浪涌电流,除非选用集成高通道电阻的MOS器材,不然就或许需求运用限流电阻来减小浪涌电流的影响。该图和图3中的运用所选用的MOS器材栅源击穿电压VBGS在每个方向都有必要大于比较器的输出电压。MOS器材中常见的栅源击穿电压值VBGS 》 ±25 V,这一数值一般捉襟见肘,可是许多MOS器材内置栅级维护二极管,会减小这一数值,所以这些器材不该选用。
输入考虑要素
关于用作比较器的运算扩大器,还需考虑与其输入相关的多种影响要素。工程师对一切运算扩大器和比较器做出的榜首级假设是:它们具有无穷大的输入阻抗,并且可视为开路(电流反应(跨导)运算扩大器在外,这种运算扩大器同相输入端具有高阻抗,但反相输入端只要几十欧姆的低阻抗)。
可是许多运算扩大器(尤其是偏置补偿型运算扩大器,如OP-07及其许多后继产品)都内置维护电路,以避免大电压损坏输入器材。
其它运算扩大器则内置更杂乱的输入电路,在施加的差分电压小于几十毫伏时只具有高阻抗,或许在差分电压大于几十伏时或许会损坏。因而,将运算扩大器用作比较器时,假如施加大差分电压,有必要细心研讨数据手册,才干确认输入电路的作业方法。(选用集成电路时,有必要研讨数据手册,保证其非抱负特性(每个集成电路都存在一些非抱负特性)兼容引荐的运用——本文中这点尤为重要。)图5所示为内置避免大差分电压输入二极管的运算扩大器。
当然,有一些比较器运用不存在大差分电压,即便存在,比较器输入阻抗相对而言也不太重要。这种状况适宜将运算扩大器用作比较器,其输入电路体现为非线性,可是触及的问题有必要考虑,不能忽视。
图5:具有维护功用的运算扩大器输入结构
对BIFET运算扩大器而言,假如其输入挨近其间一个电源(一般为负电源),简直都会体现反常。其反相和同相输入能够交换。假如运算扩大器用作比较器时产生这种状况,触及的体系相位将会回转,形成极大不方便。要处理这一问题,仍是有必要细心阅读数据手册,确认适宜的共模规模。
并且,没有负反应意味着与运算扩大器电路不同,输入阻抗不用乘以开环增益。因而,输入电流会跟着比较器开关而改变。因而,驱动阻抗和寄生反应对影响电路稳定性起着重要效果。负反应往往会使扩大器保持在线性区域内,正反应则会使其饱满。
总结
运算扩大器规划的意图不是用作比较器,因而,在此不太主张这种做法。虽然如此,在某些运用中,将运算扩大器用作比较器却是正确的规划决议计划,关键是要慎重考虑后再做出决议计划,并保证所选运算扩大器能到达预期的功能。因而,有必要细心阅读数据手册,仔细考虑非抱负运算扩大器功能的影响,并核算出运算扩大器参数对运用的影响。因为运算扩大器以非标准方法运用,或许还有必要进行某些试验——试验所用的扩大器不一定具有典型性,因而,解读试验成果时不宜过于达观。
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