比較器的合理選擇

長期以來，受運算放大器的影響，比較器的應用一直沒有得到應有的重視。直到目前隨著比較器性能指標的改進，使其更好地勝任電壓比較這一基本任務，這一狀況才得到改善，本文主要介紹新型比較器的性能及其典型應用。

比較器的功能

比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。從這一角度來看，也可以將比較器當作一個1位模/數(shù)轉換器(ADC)。

比較器與運算放大器

運算放大器在不加負反饋時，從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號。而且，在這種情況下，運算放大器的響應時間比比較器慢許多，而且也缺少一些特殊功能，如：滯回、內部基準等。

比較器通常不能用作比較器，比較器經(jīng)過調節(jié)可以提供極小的時間延遲，但其頻響特性受到一定限制，運算放大器正是利用了頻響修正這一優(yōu)勢而成為靈活多用的器件。另外，許多比較器還帶有內部滯回電路，這避免了輸出振蕩，但同時也使其不能當作運算放大器使用。

電源電壓

比較器與運算放大器工作在同樣的電源電壓，傳統(tǒng)的比較器需要±15V等雙電源供電或高達36V的單電源供電，這些產品在工業(yè)控制中仍有需求，許多廠商也仍在提供該類產品。

但是，從市場發(fā)展趨勢看，目前大多數(shù)應用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內，而且，比較器必須具有低電流、小封裝，有些應用中還要求比較器具有關斷功能。例如：MAX919、MAX9119和MAX9019比較器可工作在1.6V或1.8V至5.5V電壓范圍內，全溫范圍內的最大吸入電流僅為1.2µA/1.5µA，采用SOT23、SC70封裝，類似的MAX965和MAX9100比較器工作電壓可低至1.6V，甚至1.0V，因而非常適合電池供電的便攜式產品，見表1。

表1. MAX9015-MAX9020選型指南

PartComparator(s)Int. Reference (V)OutputSupply Current (µA)MAX9015A11.236, ±1%Push-pull1MAX9016A11.236, ±1%Open drain1MAX9017A21.236, ±1%Push-pull1.2MAX9017B21.24, ±1.75%Push-pull1.2MAX9018A21.236, ±1%Open drain1.2MAX9018B21.24, ±1.75%Open drain1.2MAX90192-Push-pull0.85MAX901202-Open drain0.85

微型封裝比較器

納安級功耗比較器采用節(jié)省空間的晶片級封裝(UCSP)，電源電流低至1μA，例如：MAX9025-MAX9098系列產品，是超低功耗系統(tǒng)的理想選擇。采用5引腳SC70封裝的MAX9117-MAX9120單比較器系列產品，其電源電流低至600nA，提供兩種輸出供用戶選擇：推挽式或漏極開路，請參考表2。這些比較器非常適合2節(jié)電池的監(jiān)測/管理應用。

表2. 微小封裝的比較器

PackagePartComparator(s)Int. ReferenceOutputSupply Current (µA)6-UCSPMAX90251Push-pull1.06-UCSPMAX90261Open drain1.06-UCSPMAX90271Push-pull0.66-UCSPMAX90281Open drain0.65-SC70MAX91171Push-pull0.65-SC70MAX91181Open drain0.65-SC70MAX91191Push-pull0.355-SC70MAX91201Open drain0.35

比較器的性能指標

比較器兩個輸入端之間的電壓在過零時輸出狀態(tài)將發(fā)生改變，由于輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產生的差模電壓會導致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化。為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點變?yōu)閮蓚€：一個用于檢測上升電壓，一個用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門限(V_TRIP+)與低電壓門限(V_TRIP-)之差等于滯回電壓(V_HYST)，滯回比較器的失調電壓(V_OS)是V_TRIP+和V_TRIP-的平均值。

圖1. 開關門限、滯回和失調電壓

不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點是輸入失調電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比(PSRR)衡量這一影響，它表示標稱電壓的變化對失調電壓的影響。

理想的比較器的輸入阻抗為無窮大，因此，理論上對輸入信號不產生影響，而實際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大，輸入端有電流經(jīng)過信號源內阻并流入比較器內部，從而產生額外的壓差。偏置電流(I_BIAS)定義為兩個比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。例如，MAX917、MAX9117系列比較器在整個工作溫度范圍內的最大偏置電流僅為2nA，室溫下(T_A = +25°C)偏置電流低于1nA，見表3。

表3. 低I_BIAS

PartI_BIASMAX9025—MAX90281nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = T_MIN to T_MAXMAX9117—MAX91201nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = T_MIN to T_MAXMAX9171nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = T_MIN to T_MAX

隨著低電壓應用的普及，為進一步優(yōu)化比較器的工作電壓范圍，Maxim公司利用npn管與pnp管相并聯(lián)的結構作為比較器的輸入級，從而使比較器的輸入電壓得以擴展，可以比電源電壓高出250mV，因而達到了所謂的超電源擺幅標準。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。

比較器輸出

由于比較器僅有兩個不同的輸出狀態(tài)，零電平或電源電壓，具有滿電源擺幅特性的比較器輸出級為射極跟隨器，這使得其輸出信號與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。CMOS滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的MOSFET，與雙極型晶體管結構相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。

輸出延遲時間是選擇比較器的關鍵參數(shù)，延遲時間包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間，對于高速比較器，如MAX961、MAX9010-MAX9013，其延遲時間的典型值分別達到4.5ns和5ns，上升時間為2.3ns和3ns (注意：傳輸延時的測量包含了上升時間)。設計時需注意不同因素對延遲時間的影響(圖2)，其中包括溫度、容性負載、輸入過驅動等因素。對于反相輸入，傳輸延時用t_PD-表示；對于同相輸入，傳輸延時用t_PD+表示。T_PD+與t_PD-之差稱為偏差。電源電壓對傳輸延時也有較大影響。

圖2. 外部因素對傳輸延時的影響

有些應用需要權衡比較器的速度與功耗，Maxim公司針對這一問題提供了多種芯片類型供選擇，其中包括從耗電800nA、延遲時間為30µs的MAX919到耗電6µA、延遲時間為540ns的MAX9075；耗電600µA、延遲時間為20ns的MAX998到耗電11mA、延遲時間為4.5ns的MAX961；從耗電350µA、傳輸延時25ns的MAX9107到耗電900µA、傳輸延時5ns的MAX9010最近推出的MAX9010 (SC70封裝)，其延遲時間低至5ns電源電流只有900µA，為產品設計提供了更多的選擇。

如需超高速、ECL或PECL輸出、延遲500ps的比較器，請參考MAX9600/MAX9601/MAX9602。

實際比較器

比較器通常用于比較一路輸入電壓和一路固定的電壓基準，為滿足這種應用需求，Maxim將基準源與比較器集成在同一芯片內，這樣不僅節(jié)省空間而且比外部基準耗電少，如，MAX9117在全溫范圍內的最大消耗電流只有1.3µA (包括內部其準源)。考慮環(huán)境溫度的變化和基準源的類型，集成基準源的精度一般在1%至4%。對于精度要求較高的應用，可以考慮選用MAX9040系列產品，其內置基準源的初始精度可以達到0.4%、最大溫度漂移為30ppm/°C。

雙比較器MAX9017/MAX9018 、MAX923、MAX933和漏極開路輸出的MAX973、MAX983非常適合窗比較器應用，內部基準可以連接到這些比較器的同相輸入端或反相輸入端，利用三個外部電阻即可設置過壓、欠壓門限(圖1所示)。另外，這些芯片還含有滯回輸入引腳，該引腳外接兩個分壓電阻設置滯回電壓門限。為便于使用，有些比較器(例如：MAX912/MAX913)還提供互補輸出，即對應于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。

快速延時(5mV過驅動時典型延遲時間1ms)使得MAX9201/MAX9203非常適合高速ADC和高速采樣電路，如：接收機、V/F轉換器及其它數(shù)據(jù)識別系統(tǒng)。

其它高速、低功耗比較器，例如：MAX9107/MAX9108/MAX9109，是工業(yè)標準比較器MAX907/MAX908/MAX909等的低成本升級產品。雙比較器，MAX9107，提供8引腳SOT23封裝；單比較器，MAX9109，采用節(jié)省空間的6引腳SC70封裝；四比較器，MAX9108，采用14引腳TSSOP封裝，見表4和圖3。

表4. 超高速比較器

Speed (ns)PartComparator(s)Supply Current (A)Package4.5MAX99915m5-SOT234.5MAX96225m8-µMAX5MAX901010.9m6-SC705MAX901110.9m6-SOT235MAX901220.9m8-µMAX5MAX901310.9m8-µMAX7MAX920144.7m16-TSSOP7MAX920222.5m14-TSSOP7MAX920311.3m8-SOT238MAX90042.5m20-SO8MAX90142.5m16-SO8MAX90222.5m14-SO8MAX90312.5m8-SO10MAX91226m16-SO10MAX91316m8-µMAX25MAX91072350µ8-SOT2325MAX91084350µ14-TSSOP25MAX91091350µ6-SC7040MAX91401150µ5-SC7040MAX91411165µ8-SOT2340MAX91422150µ8-SOT2340MAX91444150µ14-TSSOP40MAX9072700µ8-SO40MAX9084700µ14-SO

圖3. SC70封裝、具有最佳速度/功耗比的比較器選擇

應用

這一部分介紹了三種比較器的典型應用。

第1個例子是電平轉換器，可完成3V邏輯至5V邏輯的變換。如圖4所示，漏極開路輸出比較器，如MAX986，提供了一個極為簡捷的實現(xiàn)方案，同樣，如果比較器供電電壓允許(如MAX972)，也可實現(xiàn)±5V雙極性邏輯至3V單極性邏輯的電平轉換。具體應用時應注意輸入信號不要超出電源電壓的擺幅，流入輸出端的電流由大阻值的上拉電阻限制(參考MAX986數(shù)據(jù)資料的Absolute Maximum Ratings)。

圖4. 3V至5V電平轉換器

圖5電路解決了另一常見問題，該電路可將雙極性輸入(這里為正弦波)轉換為單極性的方波輸出，外加偏置電壓為：

圖5. 單極性比較器處理雙極性信號

兩個阻值相同的電阻(R4)將比較器切換檢測門限設置在電源電壓的一半。圖6所示是利用四個比較器構成一個電流檢測電路，可用于指示輸入電流的四個范圍，旁路電阻用于將輸入電流轉換為電壓信號，R1-R2用于設置運算放大器的增益，并為比較器提供所需要的基準電壓。R4-R7用來設置不同數(shù)字輸出狀態(tài)所對應的檢測門限。

圖6. 測量四個電流范圍的方案

類似文章發(fā)表于ECN，2001年7月1日。