电压比较器的使用

探讨探讨探讨探讨电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器之作用之作用之作用之作用作者：RadimSmat意法半导体应用工程师引言引言引言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。TS302x轨对轨高速比较器轨对轨高速比较器轨对轨高速比较器轨对轨高速比较器产品描述产品描述产品描述产品描述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2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。比较器输出比较器输出比较器输出比较器输出0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.00.000.050.100.150.20VCC=5V,outputLOWVOUT(V)ISOURCE(mA)+125oC-40oC+25oC图图图图1:TS302x–输出电压对输出输出电压对输出输出电压对输出输出电压对输出电流电流电流电流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。比较器输入比较器输入比较器输入比较器输入TS302x输入可以处理-0.2V到VCC+0.2V共模电压范围(VICM)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VIN低于约1.1V的VCC时，双极晶体管输入级开始工作。如果输入电压VIN高于约1.1V的VCC，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VICM。输入共模电压范围(Vicm)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。输入失调电流输入失调电流输入失调电流输入失调电流对于低输入共模电压(Vicm)，在25℃的典型温度下，TS302x输入偏流约80μA。如果Vicm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IIB是两个输入电流的平均值：IIB=(IP+IN)/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IIO=IP-IN。输入失调电流通常比输入偏流小很多。典型情况下，TS302x的IIO=1μA，IIB=80μA。3-100-80-60-40-20020406080100-300-250-200-150-100-50050100IIN-125oCIIN+125oCIIN-25oCIIN+25oCIIN--40oCIIN+-40oCInputbiascurrent(nA)Iinputdiferentialvoltage(mV)VCC=5VVICM=0V图图图图2：：：：TS302x–输入偏流对差分电压输入偏流对差分电压输入偏流对差分电压输入偏流对差分电压传播延迟传播延迟传播延迟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TP，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(VICM)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(TP)。图图图图3:3:3:3: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传播延迟的定义与测量010203040506070809010011030405060708090TPHLVICM=VCCPropagtiondelay(nS)Overdrivevoltage(mV)TPLHVICM=VCCTPLHVICM=0VTPHLVICM=0VVCC=5VTemp.=25oC图图图图4:TS302x–传播延迟对过驱动电压传播延迟对过驱动电压传播延迟对过驱动电压传播延迟对过驱动电压100mVVIN[V]VOUT[V]0VOVt[us]t[us]VREF½VCCTPLH4如图3所示，在上升沿(TPLH)上测量传播延迟时，输入信号从比较电压VREF下面的100mV开始，然后上升到VREF+VOV电压处，其中VOV叫做过驱动信号。对于下降沿(TPHL)测量，情况与上升沿相反：输入信号从VREF+100mV开始，下降到VREF-VOV。例如，在测量TPLH时，如果VOV=20mV，VREF=2.5V，则输入方波信号的高电平=2.52V，低电平=2.4V，分别对应VREF+VOV和VREF–100mV。了解过驱动(VOV)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(VOV)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。输入输入输入输入失调电压失调电压失调电压失调电压输入失调电压(VIO)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(VIO)6mV的比较器上，当VIO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VIO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VIO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VICM范围内和-40℃到125℃区间，TS302x的VIO典型值是0.5mV，最大值是8mV。输入失调电压的平均温度系数VIO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VIO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dVIO/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(VICM=0V)时双极晶体管输入级的VIO漂移，另一条曲线代表高输入共模电压(VICM=VCC)时CMOS输入级性能。-60-40-200204060801001201400.00.51.01.52.02.53.0Vio(mV)Temperature(°°°°C)VVICM=0VVICM=5VVCC=5V图图图图5：：：：输入失调电压对温度特性曲线输入失调电压对温度特性曲线输入失调电压对温度特性曲线输入失调电压对温度特性曲线5CMRR和和和和SVR共模抑制比(CMRR)描述了输入失调电压VIO与输入共模电压VICM之间的关系。共模抑制比被定义为VIO与VICM的变化比，大多数情况下用对数比例表示。CMRR[dB]=20xLog(ΔVICM/ΔVIO)在不同的输入共模电压(0V和VCC)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VCC=2V时，CMRR典型值是67dB；当电源电压VCC=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VIO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]=20xLog(ΔVCC/ΔVIO)在VCC=2V到VCC=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快速比较器原理和印刷电路板设计快速比较器原理和印刷电路板设计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