關于比較器

比較器IC 旨在比較輸入端出現的電壓，并輸出表示它們之間凈差異符號的電壓。在比較器電路中，如果差分輸入電壓高于輸入失調電壓（V OS ），加上所需的過驅動，則輸出擺動到表示邏輯 1的電壓。 。實際上，比較器可以被認為是一位模數轉換器。除了作為A / D轉換器的關鍵組件外，比較器還廣泛用于電平檢測，開關控制，時鐘恢復電路，窗口檢測器和施密特觸發器。

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

內置通過基本上“開環”運行來盡可能快地比較兩個電平，比較器通常缺少內部米勒補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反饋（如果需要控制的高增益，則配置非常小）。

這種負反饋的缺失意味著，與運算放大器電路不同，輸入阻抗不會乘以環路增益。結果，輸入電流隨著比較器的切換而變化。因此，驅動阻抗以及寄生反饋可以在影響電路穩定性方面起關鍵作用。雖然負反饋傾向于將放大器保持在其線性區域內，但正反饋迫使它們進入飽和狀態。

遲滯的作用是什么？

即使沒有實際的反饋電路，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（非反相輸入經常連接到地）可能導致比較器電路變得不穩定。保護高阻抗節點并注意布局和接地有助于最大限度地減少這些耦合效應。鎖定也很有幫助。

但這些措施并不總是可以防止不穩定。一種經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的效果，這樣一旦轉換開始，輸入必須經歷顯著的反轉，然后才能發生反向轉換。

當處理緩慢變化的信號時，即使有少量疊加噪聲，當輸入穿過并重新穿過閾值區域時，比較器往往會產生多個輸出轉換或反彈（圖1）。在任何應用中都會出現噪聲信號，特別是在工業環境中。當信號越過閾值區域時，噪聲被開環增益放大，導致輸出短暫地來回反彈。這在大多數應用中是不可接受的，但通常可以通過引入滯后來解決。

何處使用滯后

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

設計具有遲滯的比較器電路

通過反饋到正輸入小電流來應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，設計人員必須確定是以反相還是非反相配置使用它，即正過驅動是否將輸出切換為負或正限制。一些比較器具有正輸出和負輸出，為它們在系統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，如圖2所示。

如果信號應用于非反相輸入 ，其源阻抗應足夠低，以對輸入定標或滯后比率產生不顯著影響。為了從器件中獲得最大性能，滯后應該足夠大，以克服V OS （在整個工作溫度范圍內）加上所需的過驅動，這可以從制造商的數據表中確定。增加過驅動會減少器件的傳播延遲。所需的過驅動水平隨著環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，信號被施加到反相輸入。輸出與輸入關系曲線顯示切換點附近。 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 ）和開關點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，信號通過R1施加到非反相輸入。由于輸入信號稍微衰減，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）使用對稱電源和接地參考），滯后的引入將使高閾值和低閾值移動與參考相等的距離。如果參考電壓比另一個輸出更接近一個輸出，則閾值將不對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運行。圖5顯示了如何實現這一目標。電阻分壓器（R2和R1）產生一個正參考電壓，與輸入進行比較。設計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電容會在反饋網絡中引入一個極點。這具有增加高頻滯后量的“觸發”效應。當輸入是存在高頻噪聲時相對緩慢變化的信號時，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。

對于具有互補（Q和 Q ）輸出，正反饋和滯后的比較器，可以用兩種方式實現。如圖6所示。圖6b的優點是可以在不加載信號源的情況下獲得正輸入 - 輸出關系。

圖7顯示了一個電路。使用單電源部分將雙極性信號與地面進行比較。

影響滯后的變量

比較器線性區域的偏移電壓，輸入偏置電流和有限增益均限制了開關閾值的精度，V th < / sub>和V tl 。輸入偏置電流通常不是問題，因為大多數應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，但高源阻抗會增加比較器的傳播延遲。為了保持所需的過驅動低，偏移量應盡可能小。當設計中需要極低的偏移時，可以使用開環放大器代替比較器。

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

結論

設計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定性。遲滯是可靠的，并且可以使用少量的正反饋進行預測。