对比较器

比较器ic的设计目的是比较出现在其输入处的电压，并输出一个表示它们之间净差的电压符号。在比较器电路中，如果差分输入电压高于输入偏置电压(V(OS))，加上所需的超速驱动，输出振荡到表示逻辑1的电压。实际上，比较器可以被认为是一个位到数字转换器。除了作为A/D转换器的关键部件外，比较器还广泛用于电平检测，开关控制，时钟恢复电路，窗口检测器和施密特触发器。

运算放大器(运放)可以——而且经常被用作开环或高增益模式的比较器，但更好的方法是使用为此目的而优化的特殊集成电路。比较器的输出级比运算放大器的输出级更灵活。运算放大器使用推挽输出，通常尽可能靠近电源轨道摆动，而一些比较器可能具有开路集电极输出，发射极接地。这允许输出级的上拉电压源在很大范围内变化，允许比较器接口到各种逻辑族或负载电路。降低上拉电阻的值，提供增加的电流，将提高开关速度和抗噪声能力，但代价是增加功耗。比较器通常有一个锁存器，允许在正确的时间进行频闪输入，并有一个关闭功能，在不需要比较器时节省功率。

通过运行本质上的“开环”来尽可能快地比较两个电平，比较器通常缺乏内部米勒补偿电容器或集成电路，因此具有非常宽的带宽。因此，比较器通常配置为无负反馈(或者如果需要控制高增益，则配置为非常小的负反馈)。

没有负反馈意味着，与运算放大器电路不同，输入阻抗不会乘以环路增益。因此，输入电流随着比较器的开关而变化。因此，驱动阻抗以及寄生反馈在影响电路稳定性方面起着关键作用。而负反馈倾向于保持放大器在其线性区域内，正反馈迫使他们进入饱和。

滞后的作用是什么?

即使没有实际的反馈电路，从输出到输入(通常是非反相输入)的电容性杂散，或者输出电流耦合到地(非反相输入经常连接)也可能导致比较器电路变得不稳定。保护高阻抗节点，仔细注意布局和接地可以帮助减少这些耦合影响。闩锁也是有帮助的。

但并非总能通过这些措施来防止不稳定。一个通常有效的解决方案是使用正反馈来引入少量的滞后。这具有分离上行和下行开关点的效果，因此，一旦转换开始，在反向转换发生之前，输入必须经历一个显著的反转。

当处理带有少量叠加噪声的缓慢变化信号时，比较器往往会产生多个输出转换或反弹，因为输入穿过和重新穿过阈值区域(图1)。噪声信号可能出现在任何应用中，特别是在工业环境中。当信号穿过阈值区域时，噪声被开环增益放大，导致输出短暂地来回反弹。这在大多数应用中是不可接受的，但通常可以通过引入迟滞来解决。

在哪里使用迟滞

除了比较器降噪，系统滞回用于开关控制，以避免过度频繁的循环泵，炉和电机。在最简单的应用中，当系统参数低于或高于参考设定点时，控制器将执行器打开或关闭。在迟滞情况下，执行器保持打开状态，直到参数略高于设定值，然后切换，然后保持关闭状态，直到参数降至设定值以下。发生开关的电平称为高阈值电压和低阈值电压，V(th)和V(tl)。设定点迟滞的一个例子是家用恒温器，它使用某种形式的比较器来打开或关闭炉子。允许温度变化几度的滞后减少了家庭环境中不必要的循环。图2显示了用于温度控制的比较器IC的典型电路。

设计具有迟滞的比较电路

迟滞是通过将输出电压的一小部分(在上限或下限)反馈到正输入来施加的。这个电压为输入增加了一个极性敏感偏置，增加了阈值范围。

对于选定的比较器，设计人员必须确定是否在反相或非反相配置中使用它，即，正超速是否会将输出切换到负或正极限。有些比较国有积极和消极的产出，使它们在一个系统中的使用具有很大的灵活性。通过将正输入端连接到正输出端与基准源之间的双电阻分压器的抽头，可以施加迟滞;输出电压的反馈量取决于电阻比。这释放了反相输入，以便直接连接输入信号，如图2所示。

如果将信号应用于非反相输入，则其源阻抗应足够低，对输入比例或迟滞比的影响都不显著。为了从设备中获得最大性能，迟滞应该足够大，以克服V(OS)(在整个工作温度上)加上所需的超速，如制造商的数据表所确定的。增加超速可以减少零件的传播延迟。所需的超速水平随着环境温度的升高而增加。

图3和图4显示了双电源迟滞的使用。在图3中，信号被应用于反相输入。输出与输入图显示了开关点的附近。R2的电阻通常比R1高得多。如果R(2)无穷大，则不存在迟滞，器件将在V(ref)处切换。迟滞由输出电平和电阻比R(1)/(R(1)+R(2))决定，开关点电压由衰减比R(2)/(R(1)+R(2))略微偏离V(ref)。

在图4中，信号通过R1加到非反相输入。由于输入信号略有衰减，迟滞将略大于反相情况。

如果参考电压介于比较器的高输出电压和低输出电压之间(如对称电源和接地参考的情况)，则迟滞的引入将使高阈值和低阈值与参考的距离相等。如果参考电压比另一个输出更接近一个输出，则阈值将不对称地放置在参考电压周围。

在单电源比较器操作中，需要抵消基准，以便电路完全在第一象限内工作。图5显示了如何实现这一点。电阻分压器(R2和R1)产生与输入相比较的正参考电压。设计直流阈值的公式如图所示。

在上述配置中，在反馈电阻上放置一个电容将在反馈网络中引入一个极。这具有“触发”效应，增加了高频的迟滞量。当输入信号在高频噪声存在的情况下变化相对缓慢时，这是非常有用的。当频率大于f(p) = 1/(2πC(f)R(f))时，迟滞接近V(th) = V(cc)和V(tl) = 0V。当频率小于f(p)时，阈值电压保持如下式所示。

对于具有互补的比较国(Q和问)输出，正反馈，因此迟滞，可以通过两种方式实现。如图6所示。图6b的优点是可以在不切断信号源的情况下获得正的输入输出关系。

图7显示了使用单电源部分比较双极信号与地的电路。

影响迟滞的变量

偏置电压、输入偏置电流和比较器线性区域的有限增益都限制了开关阈值V(th)和V(tl)的精度。输入偏置电流通常不是问题，因为大多数应用使用小的源电阻来利用比较器的高速。虽然它降低了功耗，但高源电阻增加了比较器的传播延迟。为了保持所需的低超速，偏移量应尽可能小。当设计中需要极低的偏移量时，开环放大器可以用来代替比较器。

跳闸点精度(含迟滞)也受到器件间V(oh)和V(ol)变化的影响。一种可能的补救方法是使用可编程参考，但这个过程可能会变得昂贵且耗时。一个更好的方法，虽然仍然有些麻烦，是使用精密箝位电路，使输出在高电平时保持在固定值(图8)。

结论

设计人员可以使用迟滞来消除由于噪声引起的比较器电路的不稳定性。迟滞是可靠的，可以使用少量的正反馈预测应用。