问:什么是比较器?它和运放有什么不同?

答:高增益比较器的基本功能是确定输入电压是高于还是低于参考电压，并将该决定显示为两个电压电平中的一个，由输出的极限值确定。比较器有多种用途，包括:极性识别、1位到数字转换、开关驱动、方波/三角波生成和脉冲边缘生成。

原则上，任何高增益放大器都可以用来执行这个简单的决定。但“细节决定成败”。因此，作为运算放大器设计的器件和作为比较器设计的器件之间存在一些基本的区别。例如，对于数字电路的使用，许多比较器具有锁存输出，并且所有比较器都设计为具有与数字电压电平规格兼容的输出电平。还有一些对设计师来说很重要的差异，我们将在这里讨论。

问:在哪些情况下，两者都可以选择?

一个。在需要低偏置、低漂移和低偏置电流的应用中，应考虑将放大器用作比较器，并结合低成本。另一方面，在许多设计中，放大器不能被视为比较器，因为它从输出饱和恢复时间长，传播延迟长，并且不方便使其输出与数字逻辑兼容。此外，动态稳定性也是一个问题。

然而，使用放大器作为比较器有成本和性能上的好处——如果它们的相似点和不同点被清楚地理解，并且应用程序可以容忍放大器通常较慢的速度。没有人能声称放大器在所有情况下都可以作为比较器的临时替代品，但是对于需要高度精确比较的慢速情况，一些较新的放大器的性能无法与具有更大噪声和偏移的比较器相匹配。在一些输入变化缓慢的应用中，噪声会导致比较器输出快速来回摆动(参见“处理迟滞比较器不稳定性”，对话，第34卷，2000)。此外，在可以使用双运放而不是运放和比较器的应用中，或者在四元封装中四个放大器中的三个已经投入使用，并且必须比较两个直流或缓慢变化信号的设计中，可以节省成本或宝贵的印刷电路板(PCB)面积。

问:第四个放大器可以用作比较器吗?

一个。这是最近许多系统设计师都在问我们的问题。买一个四频运放，只使用三个通道，然后再买一个单独的比较器是没有意义的——如果那个放大器确实可以简单地用于比较功能的话。不过，要清楚的是，放大器不能在所有情况下都可以互换地用作比较器。例如，如果应用程序需要在不到一微秒的时间内比较信号，那么添加比较器可能是唯一的方法。但是，如果您了解放大器和比较器之间的内部架构差异，以及这些差异如何影响这些ic在应用程序中的性能，您可能能够获得使用单个芯片的固有效率。

在这些页面中，我们将描述这两个IC放大器技术分支之间的参数差异，并为使用放大器作为比较器提供有用的提示。

问:那么放大器和比较器有什么不同?

一个。总体而言，运算放大器(运放)经过优化，可在精密闭环(反馈)电路的指定线性输出值范围内提供精度和稳定性(直流和动态)。然而，当开环放大器用作比较器时，其输出在其极限之间摆动，其内部补偿电容(用于提供动态稳定性)导致输出缓慢脱离饱和并在其输出范围内翻转。另一方面，比较器通常设计为开环操作，其输出根据两个输入之间的净差的符号在规定的上下限电压之间旋转。由于它们不需要运算放大器的补偿电容器，因此它们可以相当快。

如果比较器的输入电压大于参考电压加上偏移量v (OS)(参考电压为零，它只是偏移量)加上所需的超速(由于有限的增益和输出非线性)，则输出端出现与逻辑“1”对应的电压。当输入小于V(OS)和所需的超速时，输出将处于逻辑“0”。实际上，比较器可以被认为是一个位到数字转换器。

指定比较器和放大器有不同的方法。例如，在放大器中，失调电压是必须施加到输入端的电压，以驱动输出到与理想零输入对应的指定中程值。在比较器中，这个定义被修改为在输出端1到0之间的指定电压范围内居中。在具有ttl兼容输出的比较器中，比较器的“低”输出值(逻辑0)被指定为小于0.4 V最大值，而对于低压放大器，低输出值非常接近其负轨(例如，单电源系统中的0 V)。图1比较了典型放大器和比较器模型的低输出值，分别应用- 1 mv差分输入。

为了尽可能快地比较两个电平，比较器没有通常在运算放大器中发现的内部补偿电容器(“米勒”电容器)，并且它们的输出电路能够比运算放大器更灵活地激励。这种补偿电路的缺失给比较器提供了非常宽的带宽。在输出端，普通运算放大器使用推挽输出电路在指定的电源电压之间进行基本对称的摆动，而比较器通常具有“开路集电极”输出，发射极接地。这意味着比较器的输出可以通过低值集电极负载电阻(“上拉”电阻)返回到与主正电源不同的电压。这个特性允许比较器与各种逻辑族接口。使用较低的上拉电阻值可提高开关速度和抗噪声能力，但代价是增加了功耗。

因为比较器很少配置负反馈，它们的(差分)输入阻抗不会乘以环路增益，这是运算放大器电路的特点。因此，当比较器切换时，输入信号会看到变化的负载和变化的(小)输入电流。因此，在一定条件下，必须考虑驱动点阻抗。负反馈将放大器保持在其线性输出区域内，从而使大多数内部工作点保持很小的变化，而正反馈通常用于迫使比较器进入饱和(并提供滞后以降低噪声灵敏度)。比较器的输入通常可以容纳较大的信号波动，而由于接口要求，其输出范围有限，因此需要在比较器内进行大量的快速电平转换。

放大器和比较器之间的上述每种差异都是有原因的，其主要目标是尽可能快地比较快速变化的信号。但是，为了比较慢速信号，特别是在需要亚毫伏分辨率的情况下，从Devices公司购买一些新的轨对轨放大器可能比比较器更好。

问:好的。我可以看到总体上的差异。如果设计师想用运放代替比较器，他们会怎么看?

一个。这里有六个要点:

1. 考虑V(OS)和I(B)非线性与输入共模电压的关系

当使用电压比较器时，通常的做法是将一个输入端接地并使用单端输入。主要原因是输入级的共模抑制差。相比之下，许多放大器具有非常高的共模抑制，并且能够在存在大共模信号时检测微伏级差异。图2显示了AD8605运算放大器在3v共模电压下对100 mv差分阶跃的响应。

但是，对于许多轨对轨输入放大器，输入偏置电压(V(OS))和输入偏置电流(I(B))在输入共模电压范围内是非线性的。对于这些放大器，用户需要在设计中考虑到这种变化。如果阈值设置为零共模，但该部件用于其他共模级别，则结果的逻辑级别可能与预期不同。例如，在零共模时偏置为2mv，在整个共模范围内偏置为5- 6mv，当比较该范围内某些电平的3mv差时，可能会产生错误输出。

2. 注意输入保护二极管

许多放大器的输入端都有保护电路。当两个输入端经历的差分电压大于标称二极管降(例如0.7 V)时，保护二极管开始导通，输入端击穿。因此，查看放大器的输入结构并确保它能够适应预期的输入信号范围是至关重要的。有些放大器，如OP777 / OP727 / OP747，没有保护二极管;它们的输入可以容纳差分信号，直到电源电压水平。图3显示了OP777输入端对大差分信号的响应。在这种情况下，许多放大器的输入击穿，而OP777响应正确。cmos输入放大器在其输入端没有保护二极管，并且它们的输入差分电压可以在轨到轨之间摆动。但请记住，在某些情况下，在输入端施加较大的差分信号会导致放大器参数的显著移位。

3.注意输入电压范围规格和相位反转趋势:

与运算放大器不同的是，运算放大器通常在相同的输入电压下工作，比较器通常在其输入处看到较大的差分电压波动。但是一些没有轨对轨输入的比较器被指定为具有有限的共模输入电压范围。如果输入超过设备指定的共模范围(即使在指定的信号范围内)，比较器可能会响应错误。对于一些使用结场效应管(JFET)和双极技术设计的老式放大器来说，情况可能也是如此。当输入共模电压超过一定限值(IVR)时，输出发生反相。这种现象可能是有害的(参见《询问应用工程师》第6章，表格后面的图)。因此，选择一个在过度驱动时不会出现相位反转的放大器是绝对关键的。这是一种可以通过使用带轨对轨输入的放大器来克服的问题。

4. 考虑饱和采收率

典型的运算放大器不被设计成用作快速比较器，因此当放大器输出被驱动到其极端之一时，单个增益级将进入饱和，对补偿电容器和寄生电容充电。放大器和比较器之间的设计差异是在比较器中增加了箝位电路以防止内部饱和。当放大器被推入饱和时，它需要时间来恢复，然后回转到新的最终输出值，这取决于输出结构和补偿电路。由于从饱和状态出来所需的时间，放大器用作比较器时比在闭环配置控制下使用时要慢。人们可以在许多放大器数据表中找到饱和恢复信息。图4显示了两种常用放大器(AD8061和AD8605)的饱和恢复图。这些放大器的输出结构是标准的推挽式轨对轨共发射极。

5. 影响过渡时间的因素

速度是放大器和比较器家族之间的区别之一。传播延迟是比较器比较其输入处的两个信号以及其输出到达两个输出逻辑电平之间的中点所需的时间。传输延迟通常用一个超驱动来指定，它是施加的输入电压和在给定时间内开关所需的参考电压之间的电压差。在下面的图表中，几个轨对轨CMOS放大器的响应与一个流行的比较器进行了比较。所有放大器的配置如图5(a-e)所示，外加电压V(in) =±0.2 V，中心为0 V。在比较器的情况下，使用10-k欧姆上拉而不是对地负载。放大器的速度差别很大，但由于饱和和较低的摆率，都比比较器慢得多。

图5。比较器和三种开环放大器型号的响应比较，±0.2 v驱动。a.放大电路配置。b.积极的一步。c.负步骤。然后，加50mv信号，超速20mv。周期= 10 μs。d.积极的一步。e.负步骤。

虽然大多数比较器都指定了2 mv到5 mv的超速，但大多数高精度、低输入失调的放大器可以可靠地工作，只有0.05 mv的超速。输入端的过载量对传输延迟有显著影响。图6显示了AD8605对几个超速电压值的响应。

由于允许放大器消耗更多的功率，它们的速度大大提高，因此它们可以在上升和下降时间方面与比较器竞争。图7给出了一个例子，对于一个300 V/μs摆幅率的AD8061，在响应正弦过零输入的开环配置下，输出恢复时间为19 ns。然而，使用放大器作为比较器的最大缺点之一通常是它的功耗，因为人们通常可以找到较低的供电电流(I(SY))，但仍然工作良好的比较器。当然，对于使用线路电源的仪器，功耗通常不是一个大的驱动因素。此外，许多放大器都有一个关断引脚——这是比较器中很少有的特性;它可以用来节省电力。

在图8中，AD8061的阶进响应与流行的LM139和另外两个开环放大器的阶进响应进行了比较，它们以与图6相同的电路配置连接。可以看到，AD8061的响应时间在300 ns内，比LM139快。这是以更高的电流消耗为代价实现的。

6. 考虑与不同逻辑族的接口方式

今天的许多轨对轨输出放大器使用5 V至15 V的单电源，可以很容易地提供TTL或cmos兼容的输出，而无需额外的接口电路。如果逻辑电路和运算放大器共享相同的电源，那么轨对轨运算放大器将非常成功地驱动CMOS和TTL逻辑家族，但如果运算放大器和逻辑电路需要不同的电源水平，则需要额外的接口电路。例如，考虑一个带有±5v电源的运放，它必须用+ 5v电源驱动逻辑:由于如果施加- 5v电源，逻辑很容易损坏，因此必须仔细注意接口电路的设计。

图9显示了与逻辑电路接口的OP1177(双电源放大器)，图10显示了其对100mv超速驱动的响应。与±15 v工作相比，使用±5 v电源时，静态功耗降低，并且由于输出级功耗而产生的热反馈最小化。较低的电源电压也减少了OP1177的上升和下降时间，因为输出在降低的电压范围内回转，从而减少了输出响应时间。

如果在OP1177的输出端没有保护电路，输出将会振荡到+V(CC2)和-V (EE2);这些电平可能对下游逻辑电路有害。添加Q2和D2可以防止输出变为负值，并将限制转换为ttl兼容的输出电平。D2箝位输出，使其不会低于0.7 V，从波形V(D2,2)中可以看出。可以选择Q2的V(CC)值(本分析选择5v)，从而得到正确的逻辑电平，如波形V(OUT)所示。

为了节省功率，可以使用n沟道MOSFET代替图9所示的NPN晶体管。

问:所以底线是……

一个。放大器可用作比较器，在低频时具有极好的精度。事实上，为了比较微伏级分辨率的信号，精密放大器是唯一实用的选择。当使用自由放大器通道来满足比较器要求是可行的时，它们也可以成为多通道运放用户的经济选择。聪明的设计师可以在优化设计的同时节省资金，如果他们愿意:了解放大器和比较器之间的异同;阅读放大器的数据表正确的功能;了解在恢复时间、速度和功耗方面的权衡;并且愿意用配置为比较器的放大器验证设计。