運(yùn)算放大器和比較器的基礎(chǔ)知識(shí)

快速瀏覽任何主要集成電路 (IC) 供應(yīng)商的產(chǎn)品組合，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量各種放大器 IC。其中包括眾所周知的運(yùn)算放大器 (op amp) 和其他更專(zhuān)業(yè)的放大器，例如儀表放大器、 電流檢測(cè)放大器、差分放大器和跨阻放大器，僅舉幾例。即使是看似基本的比較器 IC 也經(jīng)常被歸入放大器類(lèi)別。

雖然這些不同類(lèi)型的放大器之間有很多功能重疊，但每種放大器的設(shè)計(jì)都針對(duì)不同的功能或用例而打造。本文將仔細(xì)研究?jī)煞N常見(jiàn)的 IC——運(yùn)算放大器和比較器，并探討將運(yùn)算放大器用作比較器可能存在的缺陷。

運(yùn)算放大器和比較器概述

讓我們從非常高層次的角度來(lái)看一下這兩種類(lèi)型的 IC。乍一看，它們非常相似；甚至運(yùn)算放大器和比較器的電路符號(hào)也相同——一個(gè)三角形，具有正負(fù)輸入和單個(gè)輸出。但這兩種類(lèi)型的 IC 的實(shí)際設(shè)計(jì)和預(yù)期用途卻截然不同。

圖 1：基本運(yùn)算放大器和比較器電路符號(hào)

運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 為與負(fù)反饋一起工作，這意味著放大器的輸出連接到反相（負(fù)）輸入。這種負(fù)反饋回路的構(gòu)造方式將決定放大器的運(yùn)行（因此得名）。示例包括創(chuàng)建低通或高通濾波器、放大器、積分器、電壓跟隨器等。由于這種負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為在線性區(qū)域內(nèi)工作，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在放大器的電源軌之間。

另一方面，比較器的輸出級(jí)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于飽和工作，這意味著輸出電壓始終接近一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌，而不是介于兩者之間。比較器中缺少負(fù)反饋和輸出級(jí)的設(shè)計(jì)是運(yùn)算放大器和比較器之間的巨大差異。

圖 2：飽和與線性工作區(qū)

使用運(yùn)算放大器作為比較器

一般來(lái)說(shuō)，如果給定的設(shè)計(jì)需要比較器，最好直接使用比較器。這種設(shè)備是專(zhuān)門(mén)為該功能設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，因此將提供最佳結(jié)果。但在某些情況下，使用運(yùn)算放大器作為比較器功能很有吸引力。例如，如果給定的設(shè)計(jì)包含未使用的運(yùn)算放大器并且需要比較器，那么使用該運(yùn)算放大器作為比較器將節(jié)省時(shí)間、電路板面積和成本。考慮到這一點(diǎn)，讓我們探討一下將運(yùn)算放大器用作比較器的一些可能陷阱。

讓我們首先考慮一下運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。并非所有運(yùn)算放大器都提供軌到軌輸入級(jí)，因此必須小心確保在給定的應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的輸入共模范圍不會(huì)超出范圍。與輸入級(jí)有關(guān)的另一個(gè)可能的問(wèn)題是運(yùn)算放大器的差分輸入范圍。一些運(yùn)算放大器具有背靠背二極管，可防止反相和非反相輸入之間的移動(dòng)超過(guò)二極管壓降。這在雙極運(yùn)算放大器和一些高壓運(yùn)算放大器中更為常見(jiàn)。運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中的絕對(duì)最大額定值應(yīng)指示差分輸入范圍中的任何限制。

在評(píng)估運(yùn)算放大器是否能在您的應(yīng)用中正確用作比較器時(shí)，還需要考慮其輸出級(jí)的幾個(gè)因素。用作比較器時(shí)，輸出從一個(gè)電源軌轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源軌的速度將由放大器的斜率決定。必須小心確保最終比較器的速度對(duì)于給定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠快。還應(yīng)注意，在某些情況下，這可以被視為一種優(yōu)勢(shì)；斜率將限制邊沿速率，從而減少與電磁干擾相關(guān)的問(wèn)題。如前所述，運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為在線性工作區(qū)內(nèi)工作，即在電源軌之間。當(dāng)放大器的輸出被強(qiáng)制到電源軌時(shí)，放大器輸出恢復(fù)時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)（如果有的話）。

最后，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為始終提供或吸收電流，因此無(wú)法通過(guò)開(kāi)漏輸出創(chuàng)建比較器功能。由于比較器本質(zhì)上具有模擬輸入和數(shù)字輸出（由輸入決定的兩種狀態(tài)之一），因此比較器通常用于橋接不同的電路特性 - 例如將信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的電壓范圍。因此，使用具有開(kāi)漏輸出的比較器非常常見(jiàn)。

在評(píng)估是否使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)，另一個(gè)考慮因素是滯后。具有滯后的比較器使用“上限”和“下限”閾值，其中輸入信號(hào)必須超過(guò)或低于這些相應(yīng)閾值，輸出才會(huì)轉(zhuǎn)換。這對(duì)于電氣噪聲或緩慢移動(dòng)的輸入信號(hào)非常有用。大多數(shù)比較器 IC 都提供內(nèi)置滯后，有些甚至提供可調(diào)滯后。將運(yùn)算放大器配置為開(kāi)環(huán)運(yùn)行的比較器（即沒(méi)有從輸出到輸入的反饋）將導(dǎo)致沒(méi)有滯后。但是，通過(guò)使用正反饋（將輸出信號(hào)的一部分反饋到運(yùn)算放大器的非反相輸入），可以為配置為比較器的運(yùn)算放大器添加滯后。根據(jù)輸入信號(hào)的特性，這可能不是必需的，例如如果它是沒(méi)有噪聲的快速信號(hào)。

圖 3：滯后對(duì)輸出的影響

結(jié)論

一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)算放大器提供的比較器解決方案不如專(zhuān)用比較器 IC 好，在某些情況下甚至可能根本不起作用。在某些情況下，利用現(xiàn)有的運(yùn)算放大器作為比較器是有吸引力的，可以節(jié)省時(shí)間、成本和電路板空間。在這些情況下，必須小心確保運(yùn)算放大器確實(shí)能按預(yù)期作為比較器運(yùn)行。必須注意特定運(yùn)算放大器的輸入結(jié)構(gòu)，并注意配置為比較器時(shí)的輸出級(jí)限制。

審核編輯 黃宇