电压比较器的使用

探讨探讨电压比较器电压比较器电压比较器之作用之作用之作用
作者： Radim Smat
意法半导体应用工程师
引言
比较器在最常用的简单集成电路中排名第二，仅次于排名第一的运算放大器。

在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论，关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常多，可是我们却很难找到关于比较器的理论研究，究其原因，比较器本身功能十分简单，只用于比较电压，然后根据比较结果，把输出电压设定在数字低态或高态。

很多人认为比较器类似于没有反馈引脚的运算放大器，真实情况并不是这样，当使用比较器防止负面的意外事件时，我们应该了解更多的技术背景知识。

比较器比较器可以用运算放大器代替吗可以用运算放大器代替吗可以用运算放大器代替吗？？
在开环或高增益配置中用运算放大器代替比较器是十分常见的，虽然最好是使用专门优化的比较器，但是用运算放大器代替比较器也是可以的。

运算放大器是一种为在负反馈条件下工作设计的电子器件，设计重点是保证这种配置的稳定性，压摆率和最大带宽等其它参数是放大器在功耗与架构之间的折衷选择；相反，比较器是为无负反馈的开环结构内工作设计的，这些器件通常不是通过内部补偿的，因此速度即传播延迟以及压摆率（上升和下降时间）在比较器上得到了最大化，总体增益通常也比较小。

用运算放大器代替比较器不会使性能得到优化，而且功耗速度比将会很低。

如果反过来，用比较器代替运算放大器，情况则会更坏。

通常情况下比较器不能代替运算放大器，在负反馈条件下，比较器很可能会出现工作不稳定的情况。

总之，我们可以说，比较器和运算放大器是不能互换的，低性能设计除外。

产品描述
ST 最近新推出一系列轨对轨高速比较器：单比较器TS3021和双速比较器TS3022。

在既需要低电流消耗又需要快速信号响应的应用中，如便携通信系统或高速采样系统， TS302x 的特性深受市场欢迎。

TS320x 系列产品采用双极晶体管和MOS 晶体管两种技术，其最大特点是功耗低、响应速度快，典型功耗达到（每个比较器）64µA ，典型响应速度33ns ，在0℃到+125℃民用工作温度范围内，工作电压范围1.8V 到5V ；在-40℃到+125℃工业工作温度范围内，工作电压范围2V 到5V ；TS302x 还提供最高200mA 的闩锁保护功能和高达2kV 的ESD 保护功
能。

单比较器TS3021采用SOT23 -5和SC70-5封装，而双比较器TS3022则采用SO-8和MiniSO-8封装。

比较器输出
输出电压对输出电流
电流
图1: TS302x – 输出电压对输出
因为一个比较器只有两个输出状态（高和低），输出电压接近零压或电源电压，双极晶体R2R（轨对轨）比较器有一个在输出与每条轨之间产生很低电压降的共发射极输出，这个电压降等于饱和晶体管的集电极-发射极的输出电压。

当输出电流很小时，CMOS轨对轨比较器的输出电压取决于饱和MOS晶体管，其电压范围比双极晶体管比较器更接近轨电压。

TS302x系列是轨对轨输出的比较器，推挽式输出提供接近电源电压的输出电压，灌入电流和+5V电源电压产生的电压降通常是40mV，CMOS输出级也能提供足够的输出电流，当输出电压很低时，短路输出电流62mA，当输出电压很高时，短路输出电流47mA。

比较器输入
TS302x输入可以处理-0.2V到V CC+0.2V共模电压范围(V ICM)内的输入信号，实现方法是把比较器输入级分成两对差分输入晶体管。

当输入电压V IN低于约1.1V的V CC时，双极晶体管输入级开始工作。

如果输入电压V IN高于约1.1V的V CC，CMOS输入级处理信号。

因为这个原因，TS302x有略微不同的传播延迟和输入失调电流，大小取决于V ICM 。

输入共模电压范围(V icm)是异相和同相输入引脚上的平均电压，如果共模电压太高或太低，输入将会被关闭，比较器的正常工作将不能得到保证。

对于正常工作，两个输入信号都不得超出共模电压范围。

输入失调电流
对于低输入共模电压(V icm)，在25℃的典型温度下，TS302x输入偏流约80µA。

如果V icm电压高于Vcc-1V，CMOS输入级获得控制权，输入偏流降到极低的数值，如几个微微安。

输入偏流I IB是两个输入电流的平均值：I IB= (I P+I N)/2。

异相和同相输入引脚上的偏流之间的差叫做输入失调电流 I IO= I P- I N。

输入失调电流通常比输入偏流小很多。

典型情况下，TS302x的I IO=1µA，I IB= 80µA。

图2：TS302x – 输入偏流对差分电压
传播延迟
传播延迟对于很多应用都是一个关键参数，传播延迟是指输入信号跨过临界点的时间和比较器输出的实际转换时间之间的时间差。

为了测量传播延迟T P ，也称作响应时间，在输入引脚上施加一个方波信号。

这个输入信号的振幅被称为过驱动电压参数，对输出信号延迟影响很大，如图4所示。

传播延迟大小与输入共模电压(V ICM )
有关，以TS302x 为例，传播延迟主要与在不同输入电压下工作的两对输入差分晶体管有关。

每对晶体管都有自己的传播延迟(T P )。

图3: 3: 传播延迟的定义与测量传播延迟的定义与测量传播延迟的定义与测量
图 4: TS302x –传播延迟对过驱动电压
如图3所示，在上升沿(T PLH )上测量传播延迟时，输入信号从比较电压V REF 下面的100mV 开始，然后上升到V REF + V OV 电压处，其中V OV 叫做过驱动信号。

对于下降沿(T PHL )测量，情况与上升沿相反：输入信号从V REF +100mV 开始，下降到V REF - V OV 。

例如，在测量T PLH 时，如果V OV = 20mV ，V REF = 2.5V ，则输入方波信号的高电平=2.52V ，低电平=
2.4V ，分别对应V REF + V OV 和V REF – 100mV 。

了解过驱动(V OV )参数的准确含义非常重要。

某些制造商使用对称输入信号变化，例如，从-20mV 到+20mV 的电压变化。

相反的方法是施加一个100mV 到+20mV 的输入电压变化，不同的测量方法对测量结果有积极的影响，因为测量结果显示传播延迟降低了，低过驱动输入电压就是这种情况。

当使用对称信号时，在相同的过驱动电压(V OV )下，从传播延迟角度 (Tp)看，TS302x 比较器的响应速度似乎比竞争品牌更快。

输入输入失调电压失调电压
输入失调电压(V IO )是比较器分辨率的限制因素。

对于在输入失调电压范围内的输入信号，比较器可能会转换到不同的输出值，或根本不转换。

我们举例说明。

例如，把一个5mV 的峰值到峰值振幅信号施加到一个输入失调电压(V IO )6mV 的比较器上，当V IO 偶然是零时，可以在输出引脚上发现一个理想的恢复信号。

相反，如果V IO 是4mV ，信号虽然也会被恢复，但是输出方波将拥有一个错误的占空比。

如果比较器的V IO 高于5mV ，比较器的输出将会保持高态或低态。

因此，恢复操作将会失败，信号就会丢失。

在整个V ICM 范围内和-40℃到125℃区间，TS302x 的V IO 典型值是0.5mV ，最大值是8mV 。

输入失调电压的平均温度系数V IO 规定了在温度变化范围内预计的输入失调漂移，单位是µV/℃，其中V IO 是在-40℃到125℃温度范围内测量到的输入失调电压数值，而V IO 是dV IO / dT 的计算结果。

典型的失调电压漂移是3µV/℃，最大值是20µV/℃。

图5所示是两个不同的输入共模电压下的两条输入失调电压对温度特性曲线，一条曲线代表低输入共模电压(V ICM = 0V)时双极晶体管输入级的V IO 漂移，另一条曲线代表高输入共模电压(V ICM = V CC )时CMOS 输入级性能。

图5：输入失调电压对温度特性曲线
CMRR和SVR
共模抑制比(CMRR)描述了输入失调电压V IO与输入共模电压V ICM之间的关系。

共模抑制比被定义为V IO与V ICM的变化比，大多数情况下用对数比例表示。

CMRR [dB] = 20x Log (∆V ICM /∆V IO)
在不同的输入共模电压(0V和V CC)下测量两个输入失调电压值，然后用这两个值计算CMRR。

对于TS302x系列比较器，当电源电压V CC= 2V时，CMRR典型值是67dB；当电源电压V CC= 5V时，CMRR是72dB。

电源电压抑制比(SVR)是另一个描述了输入失调电压V IO与电源电压之间关系的重要参数，修改电源电压会或多或少影响输入差分晶体管对的偏流，这表明输入失调电压也将要进行细微的修改，电源电压抑制比SVR是测量这种影响大小的方法。

SVR [dB] = 20x Log (∆V CC /∆V IO)
在V CC= 2V到V CC= 5V的电源电压变化范围内，TS302x的SVR典型值是69dB。

快速比较器原理和印刷电路板设计
比较器是性能非常强大的用途很广的电子器件，不过，应用设计工程师必须检查正常工作所需的特殊标准，所有的基本原则对于高速器件都是通用的，但是，比较器可能是这些器件中最灵敏的产品。

任何高速比较器实现最好的性能必须具有正确的产品设计和合理的印刷电路布局，输入或地线上的大电容可能会限制高速电路发挥最大的性能，为了最大限度缩短完整电路的传播延迟，就必须最大限度减少从信号源到比较器输入引脚的线路电阻。

信号源电阻以及输入电容和寄生电容构成一个阻容滤波器，这个滤波器会延长输入引脚上的电压转换时间，并降低高频信号的振幅。

在输出转换过程中，当比较器开关转换时，电源电流可能会达到很高，峰值电流可能会在电源线路上产生电压降和噪声。

因此，采用旁通电容器来确保电源阻抗很低是非常重要的。

旁通电容器可以给比较器提供局部能量，从而弥补在开关过程中不断增加的功耗需求。

最佳的选择是采用几个电容值不同的电容器，通常情况下，一个100nF的陶瓷电容并联一个1uF电容对于TS302x系列产品是一个最佳的选择。

1uF电容对线路纹波起到缓冲作用，而100nF电容在比较器开关操作时提供电能。

电容器特别是100nF电容应尽可能安装在比较器电源引脚的附近。

在高速电路中，快速瞬变会在线路上产生电压变化，在DC模式下也可能出现相同的情况。

为了降低这种影响，我们通常使用一个接地面来减少电路内可能出现的电压变化。

通过给电流提供一个更适合的通道，接地面有利于最大限度地降低电路板内的寄生电容效应。

在接地面上覆一条高频信号迹线，回流正好从信号线下返回。

接地面断路会提高接地面电感，使更高频信号的处理效率变低。

简单的比较器配置
图6所示是采用一个比较器的基本电路。

输入信号施加在同相引脚上。

电阻R1和R2组成的分压器设定使比较器改变状态的阈压和转换点：V TH= V cc * R1 / (R1+R2)。

图6: 电压比较器
因为没有反馈电路，从输出漂移到输入（通常是同相输入）的电容或耦合到地线（同相输入通常连接地线）的输出电流，可能会导致比较器电路变得不稳定。

如果保持高阻抗节点，注意上文描述的电路板布局和接地设计，将有助于把这两种耦合作用降到最低限度。

如何增加滞后如何增加滞后电路电路电路？？
采用正反馈是增加滞后作用的一个常用而有效的解决办法，正反馈具有分离上升和下降转换点的作用，因此，一旦转换操作开始后，输入必须经过一个很长的反向操作，才开始向相反方向转换。

当处理含有少量重叠噪声的慢速变化信号时，比较器通常会产生多个输出变化或跳变，因为输入信号会跨过或重新跨过阈压区。

很多应用特别是工业环境中有大量的噪声信号，当信号穿过阈压区时，开路增益会把噪声放大，引起输出暂时跳变，这是大多数应用无法接受的，为了防止这种振荡，如有可能，应对输入信号进行过滤。

不过，如果引入了下面的滞后方法，通常可以解决这个问题。

图7：含有外部滞后的反含有外部滞后的反相相比较器
图7所示是在双电源下使用滞后方法。

输出-输入电压图（图8）描述了转换点附近的情况。

电阻R 2通常比电阻R 1大很多，如果R 2无限大，将不会有滞后现象，比较器将在零压下转换。

滞后大小是由输出电平与R 1/(R 1+R 2)电阻比来决定，转换点电压略微偏离零电压:
V T1= V SS * R 1 / (R 1+R 2)；V T2= V CC * R 1 / (R 1+R 2).
图8: 滞后图
在单电源比较器配置中，参考电压需要提高失调电压，这样电路就可以完全工作在第一象限内。

图9描述了如何处理这种配置。

电阻分压器(R2以及R1)产生一个与输入电压比较的正参考电压，这个电路也叫施密特触发器。

图9：单电源的外部滞后电路
下面是计算不同的直流阈压的公式：
V T1= V CC * R1|| R3 / (R2+ R1|| R3)，V T2= V CC * R1 / (R1+ R2|| R3)
图10: 滞后图
不过，含有外部滞后电路的比较器遇到一个问题：输出电压大小取决于电源电压和负载。

这意味着每种应用的滞后电压都不相同。

虽然会影响到分辨率，但这个问题并不是一个大问题，因为滞后电压通常在电源电压中只占很小的比例，而且能够承受安全极限。

张驰振荡器电路
张驰振荡器属于再生电路类。

再生电路类的子类是多重振荡器，如果再向下划分，还可以分成单稳、双稳和非稳定振荡器。

张驰振荡器是一种非稳定多重振荡器。

图11：采用TS3021的张驰振荡器
图11是一个采用TS3021比较器设计的张驰振荡器的电路示意图，这个电路采用了正负两种反馈电路。

正反馈可以产生前文描述的电压滞后。

反相输入上的阈压V LOW和V HIGH的大小取决于电阻R2、R3和R4以及电源电压决定的输出电压。

考虑到输出上的零压降，我们可以把这个原理用公式表达：
V LOW= V CC * R2|| R4 / (R3+ R2|| R4)； V HIGH= V CC * R2 / (R2+ R3|| R4)
因为 R2 = R3 = R4，所以 V LOW= V CC / 3 V HIGH= 2V CC / 3
同相输入上的电压是放电和充电电容C1在反馈电路中通过电阻R1从比较器输出产生的：V C1(t) = V CC x (1- e-t/T)，其中式t是时间常量，等于R1* C1。

同相输入上的电压V C1在V LOW和V HIGH之间呈幂数形式升降。

我们可以把这个原理用公式表达：V HIGH – V LOW = V C1 ，这表明 V CC / 3 = V CC * (1- e-t/T)；当我们求解这个方程式时，如果变量 t 是明确的，我们得到：t = τ x ln(3/2)，这个时长是整。

在图10所描述的结构个周期的二分之一。

输出频率(f=1/2t)的最终结果：f = 1/(0.811)
中，取得的输出频率大约是123 kHz，占空比50%。

输出频率与电源电压无关，TS302x电路接受1.8V到5V宽电压范围，因为是轨对轨输出级，所以输出信号的振幅和电源电压一样宽广。

只要通过R1和C1就能调节输出频率。

当需要不同的占空比时，调整R2/ R3的比例，就可以修改占空比。