使用运算放大器作为比较器

本文讨论了使用OP-AMPS作为比较器时考虑的规格和特性，并提供设计过程。

比较器通常用于区分系统中的两种情况:例如，在过电压情况下输出逻辑高电平(5V)，在正常运行时输出逻辑低电平(0V)。除了专用的比较器，还可以配置运算放大器作为比较器。

OP-AMPS在专用比较器上有几个好处，耗费较少，最小化印刷电路板（PCB）区域。但是，您必须考虑多个OP-AMP规范或特性，然后将OP-AMP配置为比较器。

设计注意事项

在将OP-AMP配置为比较器时，需要考虑差分输入夹紧二极管（背对回到二极管），输入共模电压，转换速率和过载恢复时间。图1显示了使用OP-AMP时的典型比较器配置。

图1。使用运放的典型比较器配置。

差分输入夹紧二极管

差分输入夹紧二极管，也称为背对背输入二极管，保护输入级晶体管免受大差分输入电压。图2显示了内部差分输入夹紧二极管。

图2。输入夹紧二极管

当用作比较器时，运放不能有差分输入箝位二极管。当施加一个大于二极管降的差分信号到带有差分输入箝位二极管的运算放大器时，在非反相输入和反相输入之间的一个二极管将导通，使两个输入一起短路。在这种情况下，过大的电流将流过相应的二极管，潜在地损坏器件。图3说明了当输入二极管导通，电流从参考源(V_裁判）输入电压（V_在)。

图3。当差分输入太大时，箝位二极管导通。

输入共模电压

共模电压范围定义了运放输入级的线性工作区域。运算放大器输入端的电压应该在这个范围内;否则，会产生不良的结果，如相位反转。

传播延迟

当将运算放大器配置为比较器时，传播延迟是输入跃迁后输出电压从低到高或从高到低的总时间。总的过渡时间取决于运算放大器的过载恢复时间和旋转速率。公式1计算运算放大器输出总跃迁时间:

T._全部的= t_ol.+ T._S.

其中t_ol.为过载恢复时间，tS为回转时间。

直到输出稳定到最终值，输入电压不应改变。图4显示配置为比较器的OP-AMP的典型输出电压波形。请注意，输出电压在输入变化之前完全转换。

图4。传播延迟

过载恢复时间

过载恢复时间是输出电压在输入电压的变化后开始从饱和状态开始改变的时间。An op-amp’s overload recovery time will affect signal timing if the overload recovery time is too long for a high-frequency input signal because the output may not be able to reach the final amplitude level for a “high” or “low” state before the input signal changes again.

图5显示在将OP-AMP配置为比较器时，如何影响时间的过载恢复。在这个例子中，t_ol.导致t._全部的超过允许的过渡时间。当输入信号频率足够快时，绿色虚线显示正确的时序。输出波形的实线表示设备过载恢复时间太长。请注意，在输入信号发生变化之前，输出不会达到最终幅度，导致潜在的定时误差，如图5所示。

图5。过载恢复时间对定时的影响

转换率

摆变率是运放输出电压的最大变化率，因此影响图4输出波形的上升和下降次数。对于比较器应用，一旦输入电压超过阈值电压，输出通常需要由高到低或由低到高。转换速率是一个关键的规格，因为它限制了输出电压的变化速率。较低的旋转速率需要较长的时间才能使输出达到最终幅值，如果输入信号在输出电压达到高或低状态之前发生变化，可能会导致定时误差。

图6显示了在将OP-AMP配置为比较器时，如何影响时序。在该示例中，TS导致TTOTAL超过允许的转变时间。当在输入信号发生变化之前，绿色虚线显示出速率足以达到高电平的高或低电平时的正确时序。输出波形的实线表示器件过度减速的情况。请注意，在输入信号发生变化之前，输出不会达到最终幅度，导致潜在的定时误差，如图6所示。

图6。压摆率对时机的影响

传播延迟包含过载恢复时间和旋转速率的影响，它们都受施加于输入的差分信号幅度的影响。提高差分输入电压或超速驱动电压可以减少传输延迟时间。图7显示了输入过载电压的不同幅值是如何影响信号的传播延迟的TLV9062。请注意，输入过驱动电压越大，传播延迟越快。超载电压小于100 mV将导致更长的传播延迟，因为过载恢复时间增加并且转换速率降低。

图7。输入过滴电压与下降沿传播延迟

设计程序

可以简化设计OP-AMP作为比较器的过程，以为两个设计步骤：

1. 使用电阻分压器或参考电压设置阈值电压。
2. 选择符合此处讨论的所有设计要求的OP-AMP。

图8显示了配置为反相比较器的TLV9062。该设备没有输入钳位二极管（要求操作OP-AMP作为比较器的要求），具有轨到轨输入和输出，并且具有6.5 V /μs的转换速率和200ns的过载恢复时间。

图8。使用TLV9062的比较器应用程序

对于反相比较器拓扑，将输入信号VIN连接到运算放大器的反相引脚和阈值电压Vth，vth，vth，对运算放大器的非变速器引脚。在这种配置中，当输入信号小于阈值电压时，当输入信号大于阈值电压时，当输入信号小于阈值电压时，OP-AMP的输出高到正电源（V +），并且在负电源（GND）的转换。

电阻分压器，R1和R2，以及电源电压V +，设置设计的阈值电压。等式2计算阈值电压。设定电阻R1等于R2将阈值电压设置为中间电源。

应用曲线

使用0-to 5-V三角形波形的输入信号验证比较器的操作。三角波输入有助于轻松确定从高到低或低到高的输出转换，因为波形是慢速移动的斜坡输入信号。图9显示输入信号（黑色）和输出信号（红色）波形。请注意，输入信号通过2.5V阈值电压后输出转换。

图9。比较器对输入电压的响应(包括传播延迟)

图10的上升和下降边缘的放大屏幕截图，图9的输出信号显示了转换速率可能对电路定时的影响。由于设备的转换速率，TLV9062大约需要1μs从低到高（或高到低）的转换。

图10。上升沿（左）和下降沿（右）

结论

配置为作为比较器运行的运放提供了一种低成本和小PCB占地面积的替代专用比较器。但是，您必须考虑四种主要的运放特性，以确保预期的性能:

• 输入差动夹紧二极管。
• 输入共模电压。
• 转换率。
• 过载恢复时间。

OP-AMP必须是输入夹紧二极管的空隙;否则，过电流可能会流过输入并导致损坏。不要超过输入共模电压范围，或者可能发生诸如相位反转等不期望的效果。最后，考虑到输出信号的转换时间中的转换速率和过载恢复，以避免时序错误和电路中的不准确读数。通过了解每个特性如何影响电路性能，您可以设计一个强大和准确的系统。

参考

1. TI Precision Labs - Op-AMPS培训

2. 特朗普,布鲁斯。“作为比较器用作op-amps - 没关系吗？“TI E2E™社区技术文章，2012年3月14日。

行业文章是一种内容的形式，允许行业合作伙伴分享有用的新闻，消息和技术，所有关于电路读者的行为编辑内容并不适合。所有行业文章都受到严格的编辑准则，目的是提供读者有用的新闻，技术专业知识或故事。在行业文章中表达的观点和意见是合作伙伴的观点，不一定是关于电路或其作家的所有人。