信号链基础知识 16 ：模拟电压比较器

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关键字： 信号链  比较器  运算放大器  模拟电压比较器  A/D 转换器
作者：Bill Klein
高级应用工程师
德州仪器(TI)

比较器的主要功能就是确定一个电压是否高于或低于另一个电压。当有两个模拟电压输入和一个数字输出时，该器件有时也被称为 1 位 A/D 转换器。该比较器看起来就像是开路结构中的一个运算放大器 (op amp)，然而在比较器和运算放大器这两款器件之间有许多明显的不同之处。比较器的传输函数如图1 所示。

图1：比较器的传输函数。

通过图 1 所示的传输函数您可以看出：只要 In+ 高于 In-，输出就为高；当 In+ 低于 In- 时，输出就为低。在通常的应用中，其中的一个输入将保持在一个固定的参考电压，且被测试的信号将围绕参考电压上下波动。但有些应用会有两个围绕参考电压上下波动的信号。

就像有运算放大器一样，该比较器输入级具有诸多特性，如失调电压、偏置电流以及共模电压范围。只有当其影响到开关点时，这些参数的值才会引起我们的关注。

由于该比较器是一个在模拟和数字之间实现转换的器件，因此在该器件的动作上有一个时间规范，即传播时间。当输入与开关点交叉时开始出现时延。事实上，输出开关是过驱动电平的一个函数。对于 10mV 和 100mA 过驱动而言，传播延迟时间可能是已知的。此外，该器件在其响应上可能不是对称性的，因此对于从低到高的转换而言可能会有一组规范，且对于从高到低的转换而言可能会有另一组规范。

可将比较器分为两组的一个特性是图 2 所示的输出级设计。一组是具有一个全推挽级的比较器，而另一组是具有一个集电极开路或漏极开路级的比较器。

图2：比较器的两个输出级。

在两种输出类型之间有许多应用差异。推挽式输出摆幅受电源轨的限制，而集电极开路级的上限取决于输出晶体管可以容忍的电压。推挽级的输出被有源地拉向各个方向，而集电极开路只有一个有源下拉。正是由于上述原因，从低到高的转换时间取决于上拉电阻。我们可以将若干个集电极开路器件并联起来，这将实现一个称为集电极 OR 的电路结构，实际的逻辑功能为 NOR。如果任何一个器件被激活，则通用输出线将被拉低。

在特殊的情况下，您可以把运算放大器当作比较器使用，但切勿将比较器当作运算放大器使用。运算放大器设计旨在实现高开环增益的线性运行以及低增益时的稳定运行。因此，不应考虑用比较器来代替运算放大器。

可以考虑将某些运算放大器当作比较器使用。首先，要确定运算放大器是否具有限制输入引脚（如反并联二极管）之间电压的内部电路，该运算放大器的设计特点将无法实现将运算放大器当作比较器使用的想法。确定与产品说明书进行了核对以确保不会超过最大绝对差动输入电压。对于作为比较器使用的运算放大器而言，典型的延迟时间将非常低。由于作为开环比较器使用的运算放大器总是处于饱和状态，所以饱和恢复时间变得至关重要。