如何將運(yùn)算放大器用作比較器的設(shè)計(jì)方案

在前一篇文章——“常見運(yùn)算放大器電路”、“Opampsdointegration”和“實(shí)用運(yùn)算放大器差分是靜音變體”——中，我們研究了一些經(jīng)典運(yùn)算放大器電路。這些電路采用負(fù)反饋，所以運(yùn)算放大器通?？梢怨ぷ髟诰€性區(qū)域。
然而，也可以使用運(yùn)算放大器作為比較器，使得它以非線性方式工作。因?yàn)樗妮斎胧怯豺?qū)動(dòng)的，所以它的輸出電壓會(huì)對(duì)電源軌產(chǎn)生劇烈的沖擊。如下所示，這可能并不總是一種好的設(shè)計(jì)方法。
變得非線性
圖1顯示了開環(huán)配置的運(yùn)算放大器。當(dāng)車輛識(shí)別號(hào)大于零時(shí)，輸出電壓變高，并限制在正電源電壓附近。當(dāng)輸入電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出將擺動(dòng)到負(fù)值，并再次被限制在負(fù)電源電壓附近。這里假設(shè)運(yùn)算放大器由傳統(tǒng)的正負(fù)電源電壓供電。上述比較器電路在零伏附近工作。圖2在電路中增加了一個(gè)電阻分壓器來設(shè)置反相輸入端的電壓，從而提供了一種控制比較器參考電壓VREF的方法。它顯示了另一種常見的設(shè)計(jì)技術(shù)，即給比較器增加遲滯。在這種情況下，輸入電壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的反相輸入，VREF連接到同相輸入。R1-R2電阻分壓器從輸出電壓VOUT產(chǎn)生VREF。當(dāng)VIN降至VREF以下時(shí)，輸出電壓變高，導(dǎo)致VREF變?yōu)楦叩碾妷骸?br /> 同樣，當(dāng)VIN轉(zhuǎn)換為高于VREF時(shí)，VOUT成為最大負(fù)輸出電壓，從而拉低VREF。當(dāng)輸入信號(hào)上有任何噪聲時(shí)，這種遲滯效應(yīng)可以防止比較器在VREF轉(zhuǎn)換以上時(shí)反向工作。
圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1-R2滯后電路和RC定時(shí)電路來產(chǎn)生方波輸出。其實(shí)不是比較器電路。相反，它使用運(yùn)算放大器作為比較器來創(chuàng)建所需的輸出波形。假設(shè)VOUT最初是高電壓，它會(huì)通過R3給C充電。電容器的電壓增加，這個(gè)過程與時(shí)間常數(shù)R3-C一致.當(dāng)電容器電壓變得大于VREF時(shí)，輸出電壓將擺動(dòng)到負(fù)電源電壓。這將導(dǎo)致電容電壓被驅(qū)動(dòng)為負(fù)，這也與時(shí)間常數(shù)R3-c一致。R1-R2分壓器將在同相輸入上提供一定的遲滯，以便運(yùn)算放大器能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過渡。有關(guān)元件值如何決定多諧振蕩器頻率的更多信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)
但是有一些問題
網(wǎng)上有很多關(guān)于這種非線性運(yùn)算放大器電路的文章。但是我查了一些IC供應(yīng)商的網(wǎng)站，注意到他們強(qiáng)烈警告不要用運(yùn)算放大器做比較器[參考文獻(xiàn)1和2]。主要問題包括：
一些運(yùn)算放大器的輸入端有箝位二極管，這限制了兩個(gè)輸入端之間的最大電壓。這可以通過仔細(xì)設(shè)計(jì)或選擇其他運(yùn)算放大器來解決。
比較器應(yīng)用將驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。從飽和狀態(tài)恢復(fù)可能很慢，并且通常沒有具體說明。
大多數(shù)運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負(fù)電源電壓。這可能有也可能沒有規(guī)定，而且可能沒有得到很好的控制
與針對(duì)這種特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的“真實(shí)比較器”相比，運(yùn)算放大器的開關(guān)時(shí)間往往更慢。
運(yùn)算放大器的輸出通常不設(shè)置為驅(qū)動(dòng)數(shù)字邏輯，因此可能需要其他電路來調(diào)整。
使用運(yùn)算放大器作為比較器的主要原因可能是，有時(shí)使用一個(gè)多運(yùn)算放大器設(shè)備，只剩下一個(gè)放大器。畢竟就在那里，可以免費(fèi)使用。如果您決定采用這種方法，您需要仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊(cè)，評(píng)估實(shí)際電路性能是否有序。那么就需要保證運(yùn)算放大器電路有相當(dāng)大的內(nèi)置余量。
非線性運(yùn)算放大器的上述考慮也可能有助于我們理解線性應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一些問題。運(yùn)算放大器的輸出有可能被驅(qū)動(dòng)到軌電壓嗎？如果有，需要多長時(shí)間恢復(fù)？這會(huì)影響電路的性能嗎？
所以很多IC供應(yīng)商都推薦用戶使用實(shí)比較器，而不是運(yùn)算放大器。畢竟，比較器被設(shè)計(jì)成用作比較器。它具有指定的開關(guān)特性和輸出驅(qū)動(dòng)，通常被設(shè)置為驅(qū)動(dòng)邏輯器件。有許多經(jīng)濟(jì)的設(shè)備可供選擇。
BobWitte是技術(shù)咨詢公司SignalBlueLLC的總裁。
引用
“運(yùn)算放大器使用了比較器—這是什么意思？”布魯斯特拉普，德克薩斯儀器公司，2012年3月
“使用運(yùn)算放大器比較器”，詹姆布萊恩特，模擬設(shè)備，應(yīng)用筆記AN-849，2011
“應(yīng)不應(yīng)該使用模擬比較器？”2016年11月
“運(yùn)算放大器多諧振蕩器”，電子電路
handbookoofoperationlamplifierprises，BruceCarterandThomasR。德州布朗大學(xué)，2016年9月
OpAmpsforEveryone，RonMancini