如何成為出色的模擬工程師(二):放大器與比較器

時間：2012-11-27 19:01:38

關(guān)鍵字：放大器模擬工程師比較器運算放大器

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[導讀]比較器是業(yè)界應用極其廣泛的標準元件。比較器具有外部滯后、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項功能和特性。作為一名出色的模擬工程師，熟練使用比較器是必須的。在實際設計應用的比較器經(jīng)常用到，偶爾工程師也會

比較器是業(yè)界應用極其廣泛的標準元件。比較器具有外部滯后、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項功能和特性。作為一名出色的模擬工程師，熟練使用比較器是必須的。在實際設計應用的比較器經(jīng)常用到，偶爾工程師也會將運算放大器來作為比較器使用，那么究竟比較器是什么呢？原理和作用是什么？運算放大器真的可以用作比較器來使用嗎？運算放大器和比較器的區(qū)別在哪里？在這里小編為大家整理了一些關(guān)于運算放大器和比較器的內(nèi)容，供大家學習和參考。

什么是比較器？比較器原理

我們從工程學教程里了解到，運算放大器需要三個內(nèi)部級才能發(fā)揮出最佳性能，比如實現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個內(nèi)部級分別是差分輸入級、增益級（有或沒有內(nèi)部頻率補償）和輸出級。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運算放大器曾作為數(shù)學運算的基本器件，主要以電壓和電壓信號來作標識。在反饋應用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對數(shù)等運算。

比較器其實可看成一個能夠作邏輯 &ldquo;決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號與已定義的參考電平進行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設計具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運算放大器類似。因此，運算放大器也可充當比較器。但放大器并不是專門針對比較功能而開發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項功能可否正常實現(xiàn)。運算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開環(huán)設計，沒有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號的極性。

此外，比較器一般都會被設計成 “過壓驅(qū)動”（overdriven），意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對于運算放大器而言，它通常被設計成在較小的信號和差分電壓下運行，而這里的反饋概念通常都含有 “過驅(qū)” 意義，這樣會導致開環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過驅(qū)時產(chǎn)生的輸入級的飽和會導致信號的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

再者，對于較大的差分輸入電壓來說，運算放大器的輸出很容易到達極限輸出，從而啟動保護功能。保護功能的啟動將會導致輸入阻抗的量級明顯下降，迫使過量的電流涌到輸入級，造成過載，甚至過熱。如果在設計上沒有保護的措施，那便可能導致整個器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設計人員決定用多少附加輸入電阻。

比較器通常都不進行頻率補償功能，因此其工作速度相當高，同時開關(guān)時間也在某程度上取決于 “過驅(qū)”的程度。圖1表示出當衡量一個輸出狀態(tài)變化時的差分輸入電壓。從圖中可看出過驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進行工作。一般來說，較大的過驅(qū)可加快開關(guān)時間。

比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來分類，例如：

圖1 輸入過驅(qū)和相關(guān)的傳播延遲消散

·通用比較器；

·高速比較器（傳播延遲少于50毫微秒）；

·低壓比較器（電源電壓VCC低于5V）；

·微功率比較器（靜態(tài)電流低于20微安）；

·集成參考的比較器。

比較器的特性取決于其類別，分別為：

·傳播延遲—由施加一個差分信號與切換狀態(tài)的輸出級之間的時間延遲（例如是50%）。

·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開關(guān)電壓和高到低開關(guān)電壓之間的設計預算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。

·上升及下降時間—一般是輸出電壓的10%至90%的時間，并且上升和下降緣的時間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會導致輸出的周期時間會相對于輸入信號而改變。

·觸發(fā)率—指在某一個頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來變化。

·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

·抖動—可以是隨機或事前決定，負責量度信號緣在時間上的不定性。

現(xiàn)今業(yè)界常用的比較器大多數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化設計的，可為系統(tǒng)帶來增值效益。最普遍的比較器應用類別是電平平移。現(xiàn)今，TTL和CMOS邏輯電平均已被廣泛采用。對于高速應用而言，還可采用ECL（發(fā)射極耦合邏輯）、RSPECL（擺幅削減正發(fā)射極耦合邏輯）或LVDS（低壓差分信號）。當需要從電纜和線路連接IC和FPGA，或在背板內(nèi)的信號速度處于由每秒數(shù)百兆位至數(shù)千兆位的高速范圍時，上述方案便會成為首選。LMH7220和 LMH7322便是可用作為高速/超高速電平比較變換的高速比較器件。

圖2表示出一個LMH7322雙高速比較器，并且以ECL變換到RSPECL的轉(zhuǎn)換器方式實現(xiàn)。ECL高速邏輯已經(jīng)沿用了很多年，尤其是供軍事或測量用以及工業(yè)用的高檔設置，而且它們屬于負電壓電平參考信號（-5.2V接地），難以連接到其它分離電源或單電源系統(tǒng)。幸而，LMH7322不單可有效解決上述的問題，與此同時比較起一般的邏輯電平移位器，它可提供給設計人員更大的自由度。該比較器在輸入和輸出電路上擁有不同的電源引腳，而其電源可以是由2.7V至12V的單一電源，又或是由±6V至±1.35V的分離電源。器件在輸入時的共模范圍可超出最低的電源電平200mV，從而令能在如此低的輸入信號電平下感測到細微的信號。在高邊上，共模范圍受到1.5V的VCCI的限制，但需配合2.7V的VCCI和VCCO，還是有可能在輸出上提供PECL邏輯電平。

圖2 ECL 到 RSPECL 的電平變換

假如典型的上升和下降時間為160ps，而典型的傳播延遲則為700ps，那便可促使該比較器為高速至每秒數(shù)千兆位的信號進行緩沖和電平平移，從而使電路適合應用在高速數(shù)據(jù)、時移、緩沖，或是來自電纜或背板的信號恢復。一個可調(diào)節(jié)的滯后可通過HYST引腳來施行，這做法對于失真信號或DC耦合線路或移動緩慢的信號來說最為受用，因為這可避免出現(xiàn)不必要的開關(guān)和觸發(fā)。圖2中的應用電路表示出輸入VCCI信號是處于系統(tǒng)接地電平，而VCCO電平和VEE電平則分別處于+5V和-5.2V（這便是ECL驅(qū)動器負電源電平）。此外，輸出電壓將可符合RSPECL的規(guī)格。同一個器件可以用來介接到其他的邏輯電平，只需稍為調(diào)節(jié)VCCI和VCCO及VEE電壓電平便可。加入例如是50W的適當線路端接是有可能的，圖3所示為一基本端接例子。

圖3中的差分輸出以一個跟隨著電源電流的發(fā)射極來實現(xiàn)，并且確保兩個輸出引腳之間的擺幅差別有400mV。假如這里采用有源端接，那電壓便會低于VCCO電平2V，否則每當端接到芯片的最負電源時，便需計算出正確的負載電阻。

圖3 LMH7322的輸出線路端接例子

此外，上升/下降時間或帶有消散的傳播延遲等參數(shù)均需要慎重考慮，而且它們不是全部都被規(guī)定。消散可以因共模、過驅(qū)和壓擺率的變化而引致，從而影響傳播延遲、工作周期和抖動。以LMH7322為例，過驅(qū)消散或比較20mV至1V過驅(qū)的變化為75ps，在這情況下會大概增加本身的傳播延遲約10%。

一個 &ldquo;新類別”—精度比較器

一般比較器都有約10mV或更大的輸入失調(diào)電壓。精度型比較器的優(yōu)點很明顯，因為它可比較微弱信號。迄今為止，仍有人采用運算放大器作為比較器，就是因為一般的比較器不具有足夠的精度。在電池電量監(jiān)測應用中，當充電/放電的電壓梯度相對平坦時，便可采用這些參數(shù)。其他特色功能包括低功耗、高精度，及可調(diào)整的檢測閾值。

圖4 具備”低電荷”狀態(tài)顯示的電池監(jiān)視器

圖4是采用LMP7300的電池電壓監(jiān)視器，該器件具有集成式高精度電壓參考的微功率比較器。該電路的電池泄漏電流極小，典型為10mA的典型靜態(tài)電流，并且擁有2.5V至12V的寬闊電壓范圍，它可在高邊（電源線路）感應電流和具備有一個2.048V 55ppm的電壓參考和通過兩根引腳完成的可調(diào)節(jié)滯后。開漏輸出能夠驅(qū)動一個LED或觸發(fā)一個微控制器的輸入邏輯引腳。在圖4中，R1和R2會為達到低的靜態(tài)電流而設置成高阻抗。假如要觸發(fā)一個低電池條件，那下列的公式1和2便可用來決定R1的數(shù)值：

（1）

那么，如果

（2）

若R2已知（例如是1MW），Vref 為2.048V，Vbatt應該是2.7V

（3）

190W和5mF的RC組合對于緩沖參考是很重要，因為這組合具有大約1mA的負載驅(qū)動能力和它可改善線路的調(diào)節(jié)能力。

圖5 非對稱滯后的典型配置

圖5表示出可用來提供非對稱滯后的內(nèi)部參考和四個外部電阻器。電路中的跳變點可用下式4和5計算出來，至于滯后輸入電壓和電流范圍以及參考負載電流數(shù)值則可從數(shù)據(jù)表中找到，但這些數(shù)值可能會限制了真正的電阻值范圍和比率。