比较器的原理

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对两个或多个数据项进行比较,以确定它们是否相等,或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。 能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号,输出则为二进制信号0或1,当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时,其输出保持恒定。
原理可以将比较器当作一个1位模/数转换器(ADC)。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器,但由于运算放大器的开环增益非常高,它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且,一般情况下,运算放大器的延迟时间较长,无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟,但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡,许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的,有的只有一个阈值,有的具有两个阈值。
性能指标滞回电压:比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变,由于输入端常常叠加有很小的波动电压,这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化,为避免输出振荡,新型比较器通常具有几mV的滞回电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个:一个用于检测上升电压,一个用于检测下降电压,电压门限(VTRIP)之差等于滞回电压(VHYST),滞回比较器的失调电压是TRIP 和VTRIP-的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输入失调电压,而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对失调电压的影响。
偏置电流:理想的比较器的输入阻抗为无穷大,因此,理论上对输入信号不产生影响,而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大,输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部,从而产生额外的压差。偏置电流(Ibias)定义为两个比较器输入电流的中值,用于衡量输入阻抗的影响。MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。
超电源摆幅:为进一步优化比较器的工作电压范围,Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级,从而使比较器的输入电压得以扩展,这样,其下限可低至最低电平,上限比电源电压还要高出250mV,因而达到超电源摆幅(Beyond-theRail)标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。
漏源电压:由于比较器仅有两个不同的输出状态(零电平或电源电压),且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器,这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压,对应于MOSFFET的漏源电压。
输出延迟时间:包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间,对于高速比较器,如MAX961,其延迟时间的典型值可对达到4.5ns,上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响,其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。
分类过零电压比较器:典型的幅度比较电路。
电压比较器:将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上,就得到电压比较器。
窗口比较器:电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成,电路及传输特性图如图[xulj2]。高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况,相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况,相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值,传输特性曲线呈窗口状,故称为窗口比较器。
滞回比较器:从输出引一个电阻分压支路到同相输入端,电路及传输特性如图[xulj3]。当输入电压vI从零逐渐增大,且VI小于VT时,比较器输出为正饱和电压,VT称为上限阀值(触发)电平。当输入电压VI>VT’时,比较器输出为负饱和电压,VT’称为下限阀值(触发)电平。
芯片常见的芯片有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27,这些都可以做成电压比较器(不加负反馈)。LM339、LM393是专业的电压比较器,切换速度快,延迟时间小,可用在专门的电压比较场合。
选用原则一只比较器的工作原理简单明了。它有一个正脚和一个负脚。当正脚上的电压较高时,比较器的输出就”断言”(或驱动)一个信号。采用集电极开路输出时,比较器的输出脚是一只晶体管的集电极或FET的漏极。采用推挽输出时,比较器有一个”图腾柱”输出,即一个互补的NPN/PNP级,像运算放大器中的一样。集电极开路输出用于负载与比较器各自使用不同电源的情况。这种方案能够实现12V的螺线管,虽然比较器可能只工作在3.3V。集电极开路输出的另一个作用是当输出关断时,尽量减小静态电流。在图腾柱级中, N型输出晶体管中没有基极电流流过,而有些基极电流则总是流过两个输出晶体管中的一个。
不过,集电极开路输出也有一些缺点。例如,它们需要外接上拉电阻。这些电阻必须在高阻周期内完成上拉任务,这样当输出低于关断时,比较器可以更快地开关,并且上拉电阻使输出为高。因此,当你需要对称波形时,就不适合用集电极开路输出,如时钟恢复电路。如果你的电路不需要电平转换,就应选择推挽输出,如采用ALD2321APC,它可以提供24mA的输出驱动能力,静态电流为90μA。
高速比较器也可能有一个锁存输出,这样就可以将输出保持在已知状态,从而满足其后方数字输入对设置与保持时间的要求。一旦数字部分读到了比较器的输出,就可以释放锁存脚,让输出跟踪输入。
高速比较器也可能使用-5V至0V的ECL(射极耦合逻辑)电平。 PECL(正射极耦合逻辑)输出有相同的电压摆幅,但工作在0V至5V。另外还有RSPECL(降幅PECL)输出。一些高速比较器的两个输出脚采用LVDS(低压差分信令)输出,围绕一个1.2V的共模电压以一种互补方式转换300mV。你可以将这些输出直接送给FPGA(现场可编程门阵列)和其它数字电路的LVDS输入脚。
一旦建立了输出类型,下一个要考虑的问题就是速度。制造商通常将一款比较器描述为低功耗或高速型。他们一般用CMOS工艺建立低功耗器件,而用双极器件建立高速器件,这表示出了基本的折中:大功耗的高速、精确器件,以及低功耗的低速器件。另一个折中是增益与高速。低功耗比较器可能要70μs的转换时间,消耗供电电流不到1μA。高速比较器的响应时间为150ps。有些器件能够克服速度与功耗的折中。当以最高速率转换时,比较器消耗的功率要比其静态功耗高得多。在静态状态,电流低。当将比较器工作在较高速度时,必须能够为电容充电,充电需要电流。在动态模式下,电流随工作速度的提高而增加。功耗中的另一个因素是芯片的负载。对一个开关电流来说,电容也会成为一个负载,必须考虑到负载中的容性和阻性成份。很多器件有关断脚,可将耗电降低到1μA以下。
与所有模拟情况一样,只有在严格定义的条件下,声明的传播延迟才有意义,因为驱动输入脚的程度直接影响着传播延迟。过驱越大,器件就越快。”频散”( dispersion)是一个器件在各种不同过驱程度下的传播延迟值区间。过驱与速度之间的关系是一些工程师不愿意将比较器速度看作转换速率函数的一个原因。首先,你必须定义量化为一个有效转变的输出电平;通常最大输出电平为10%~90%。转换速率亦代表对过驱的一种要求,即让传播延迟尽可能短。
在选择比较器时考虑的另外一个参数是噪声。然而,制造商经常省略比较器的噪声规格,而代之以用随机抖动来测量噪声。 除了通过器件增益的噪声信号以外,输入的孔径误差以及输出的上升与下降时间也可以影响抖动。一个时钟驱动器件不过是一个针对噪声优化的较低增益比较器。设计者可以在一个CMOS器件中采用较大的输入晶体管,降低闪烁噪声,但这种方法增加了输入电容。 
一旦选定了输出类型,并有了适当的速度与功耗要求,下一个考虑的问题应是比较器的额定电压。与电源区间有关的一个因素是比较器输入脚的允许共模电压。很多工程师都要使用美国国家半导体公司的LM339定时器。不过,其制造商从未准备将该器件用于接近最高电压轨的输入上。有些器件允许你将输出拉至高于或低于电源的电压区间,但对其它器件,当你将输入脚拉至低于负电源轨时,其输出会反相。有轨至轨输入级的比较器(扩展了输入共模模式的范围。这些器件有一个双输入级,采用与P型输入级并联的N型晶体管或FET。 P型输入级的输入电压工作在接近地或负电压轨处,而N型输入级则当输入摆至正电压轨时工作。 IC设计者一般会使器件在第1级或低于正电压轨2V之间作切换。有些结构能将偏移电压降至最低,当扫过一个轨至轨器件。
比较器的另外一个重要规格是输入偏移电流,即当器件工作时,流进或流出输入管脚的电流量。CMOS产品有低的偏移电流,代表输入脚ESD(静电放电)结构中泄漏的失配。温度每上升10°C,输入偏移电流加倍。高速比较器的偏移电流可以很显著,但一般不会成为问题,因为一般会用低阻电路驱动这些高速比较器。双极器件的输入偏移电流取决于两个输入之间的关系。在比较器中,一个差分输入对的基极电压60mV差值会在该对的集电极电流和输入偏移电流中得到一个高10倍的差值。因此,可以让一个引脚拉出或吸入两倍于额定的输入偏移电流,而另外的引脚则几乎没有输入偏移电流,这取决于哪个引脚有更高的电压。
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