什么是比較器？它和放大器有什么不同？

　　我們從工程學(xué)教程里了解到，運(yùn)算放大器需要三個(gè)內(nèi)部級才能發(fā)揮出最佳性能，比如實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個(gè)內(nèi)部級分別是差分輸入級、增益級（有或沒有內(nèi)部頻率補(bǔ)償）和輸出級。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運(yùn)算放大器曾作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件，主要以電壓和電壓信號來作標(biāo)識。在反饋應(yīng)用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對數(shù)等運(yùn)算。

　　比較器其實(shí)可看成一個(gè)能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號與已定義的參考電平進(jìn)行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設(shè)計(jì)具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

　　比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運(yùn)算放大器類似。因此，運(yùn)算放大器也可充當(dāng)比較器。但放大器并不是專門針對比較功能而開發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項(xiàng)功能可否正常實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開環(huán)設(shè)計(jì)，沒有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會(huì)在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號的極性。

　　此外，比較器一般都會(huì)被設(shè)計(jì)成 “過壓驅(qū)動(dòng)”（overdriven），意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對于運(yùn)算放大器而言，它通常被設(shè)計(jì)成在較小的信號和差分電壓下運(yùn)行，而這里的反饋概念通常都含有 “過驅(qū)” 意義，這樣會(huì)導(dǎo)致開環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應(yīng)。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的輸入級的飽和會(huì)導(dǎo)致信號的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

　　再者，對于較大的差分輸入電壓來說，運(yùn)算放大器的輸出很容易到達(dá)極限輸出，從而啟動(dòng)保護(hù)功能。保護(hù)功能的啟動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗的量級明顯下降，迫使過量的電流涌到輸入級，造成過載，甚至過熱。如果在設(shè)計(jì)上沒有保護(hù)的措施，那便可能導(dǎo)致整個(gè)器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會(huì)提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設(shè)計(jì)人員決定用多少附加輸入電阻。

　　比較器和運(yùn)算放大器之間最基本的區(qū)別就是他們具有不同的輸出級結(jié)構(gòu)。開漏或開集（以MOSFET為例）輸出都有一個(gè)可用作輸出但卻不內(nèi)部連接到V+的節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)連接正電源電壓的外部電阻器會(huì)在晶體管被關(guān)閉時(shí)將輸出拉成 “高”。這個(gè)外部電壓可以高于VCC，并且允許電平移位或可通過平行數(shù)個(gè)器件的兩個(gè)或更多個(gè)輸出來達(dá)到所謂的 “Wired-Or”2 功能 。假如內(nèi)部的晶體管啟動(dòng)，一個(gè)細(xì)小的電流會(huì)從外部電源經(jīng)過上拉電阻器流進(jìn)器件輸出，并令輸出電壓級轉(zhuǎn)換成 “低” 和接近VCE （雙極晶體管中的集極-發(fā)射極電壓）。

　　比較器通常都不進(jìn)行頻率補(bǔ)償功能，因此其工作速度相當(dāng)高，同時(shí)開關(guān)時(shí)間也在某程度上取決于 “過驅(qū)”的程度。圖1表示出當(dāng)衡量一個(gè)輸出狀態(tài)變化時(shí)的差分輸入電壓。從圖中可看出過驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進(jìn)行工作。一般來說，較大的過驅(qū)可加快開關(guān)時(shí)間。

　　比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來分類，例如：

　　圖1 輸入過驅(qū)和相關(guān)的傳播延遲消散

　　·通用比較器；

　　·高速比較器（傳播延遲少于50毫微秒）；

　　·低壓比較器（電源電壓VCC低于5V）；

　　·微功率比較器（靜態(tài)電流低于20微安）；

　　·集成參考的比較器。

　　比較器的特性取決于其類別，分別為：

　　·傳播延遲—由施加一個(gè)差分信號與切換狀態(tài)的輸出級之間的時(shí)間延遲 （例如是50%）。

　　·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開關(guān)電壓和高到低開關(guān)電壓之間的設(shè)計(jì)預(yù)算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。

　　·上升及下降時(shí)間—一般是輸出電壓的10%至90%的時(shí)間，并且上升和下降緣的時(shí)間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會(huì)導(dǎo)致輸出的周期時(shí)間會(huì)相對于輸入信號而改變。

　　·觸發(fā)率—指在某一個(gè)頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來變化。

　　·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

　　·抖動(dòng)—可以是隨機(jī)或事前決定，負(fù)責(zé)量度信號緣在時(shí)間上的不定性。 將運(yùn)算放大器作為比較器使用

　　由于運(yùn)算放大器一般都是雙路/四路的配置，用戶可以考慮將多出來的放大器做為比較器來用。如前所述，此時(shí)有不少地方需注意。首先，時(shí)間選擇很關(guān)鍵。當(dāng)把運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，其本身的增益帶寬乘積、群延遲和壓擺率等參數(shù)很可能會(huì)因內(nèi)部頻率補(bǔ)償和飽和效應(yīng)而誤產(chǎn)生變化。對于優(yōu)化的單器件來說，這種應(yīng)用不失為一種經(jīng)濟(jì)增值方案。可是，對于比較復(fù)雜和可能阻礙性能發(fā)揮的四路器件來說，這種方案不但所占的空間較多，而且需要花費(fèi)更多時(shí)間測試和調(diào)試以確

　　保運(yùn)算放大器的特性能夠配合。運(yùn)放用作比較器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

　　·細(xì)閱數(shù)據(jù)表上敘述的運(yùn)放拓?fù)浜吞崾拘畔ⅰ?/span>

　　·注意源阻抗、共模輸入范圍和差分輸入范圍。

　　·放大器在過驅(qū)時(shí)的開關(guān)速度并計(jì)劃為這參數(shù)進(jìn)行大型擴(kuò)展。

　　·注意溫度變化帶來的影響。

　　·通過檢查負(fù)載阻抗、電源水平和電路的穩(wěn)定性來確保輸出已正確地連接到下一級。

　　·小心處理電路的設(shè)計(jì)和布局，例如即使只有很微量的輸出通過分布電容和/或高輸入阻抗被正反饋引入到輸入端，都有可能引起振蕩。

現(xiàn)代高速比較器

　　現(xiàn)今業(yè)界常用的比較器大多數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的，可為系統(tǒng)帶來增值效益。最普遍的比較器應(yīng)用類別是電平平移。現(xiàn)今，TTL和CMOS邏輯電平均已被廣泛采用。對于高速應(yīng)用而言，還可采用ECL（發(fā)射極耦合邏輯）、RSPECL（擺幅削減正發(fā)射極耦合邏輯）或LVDS（低壓差分信號）。當(dāng)需要從電纜和線路連接IC和FPGA，或在背板內(nèi)的信號速度處于由每秒數(shù)百兆位至數(shù)千兆位的高速范圍時(shí)，上述方案便會(huì)成為首選。

　　假如典型的上升和下降時(shí)間為160ps，而典型的傳播延遲則為700ps，那便可促使該比較器為高速至每秒數(shù)千兆位的信號進(jìn)行緩沖和電平平移，從而使電路適合應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)、時(shí)移、緩沖，或是來自電纜或背板的信號恢復(fù)。一個(gè)可調(diào)節(jié)的滯后可通過HYST引腳來施行，這做法對于失真信號或DC耦合線路或移動(dòng)緩慢的信號來說最為受用，因?yàn)檫@可避免出現(xiàn)不必要的開關(guān)和觸發(fā)。圖2中的應(yīng)用電路表示出輸入VCCI信號是處于系統(tǒng)接地電平，而VCCO電平和VEE電平則分別處于+5V和-5.2V（這便是ECL驅(qū)動(dòng)器負(fù)電源電平）。此外，輸出電壓將可符合RSPECL的規(guī)格。同一個(gè)器件可以用來介接到其他的邏輯電平，只需稍為調(diào)節(jié)VCCI和VCCO及VEE電壓電平便可。加入例如是50W的適當(dāng)線路端接是有可能的，圖3所示為一基本端接例子。

　　圖3中的差分輸出以一個(gè)跟隨著電源電流的發(fā)射極來實(shí)現(xiàn)，并且確保兩個(gè)輸出引腳之間的擺幅差別有400mV。假如這里采用有源端接，那電壓便會(huì)低于VCCO電平2V，否則每當(dāng)端接到芯片的最負(fù)電源時(shí)，便需計(jì)算出正確的負(fù)載電阻。

一個(gè) “新類別”—精度比較器

　　一般比較器都有約10mV或更大的輸入失調(diào)電壓。精度型比較器的優(yōu)點(diǎn)很明顯，因?yàn)樗杀容^微弱信號。迄今為止，仍有人采用運(yùn)算放大器作為比較器，就是因?yàn)橐话愕谋容^器不具有足夠的精度。在電池電量監(jiān)測應(yīng)用中，當(dāng)充電/放電的電壓梯度相對平坦時(shí)，便可采用這些參數(shù)。其他特色功能包括低功耗、高精度，及可調(diào)整的檢測閾值。

　　圖5 非對稱滯后的典型配置

　　圖5表示出可用來提供非對稱滯后的內(nèi)部參考和四個(gè)外部電阻器。電路中的跳變點(diǎn)可用下式4和5計(jì)算出來，至于滯后輸入電壓和電流范圍以及參考負(fù)載電流數(shù)值則可從數(shù)據(jù)表中找到，但這些數(shù)值可能會(huì)限制了真正的電阻值范圍和比率。

　　結(jié)語

　　如今，比較器是業(yè)界應(yīng)用極其廣泛的標(biāo)準(zhǔn)元件。比較器具有外部滯后、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項(xiàng)功能和特性。此外，對比較器的傳播延遲、消散、觸發(fā)率或精準(zhǔn)失調(diào)等關(guān)鍵參數(shù)可以滿足一系列高性能應(yīng)用的需求，例如電平平移、電源監(jiān)測、時(shí)鐘/數(shù)據(jù)緩沖以及接收和觸發(fā)等。雖然運(yùn)算放大器也可用作比較器，但在應(yīng)用時(shí)需要加倍小心才能確保器件的正常工作。