將運算放大器用作比較器的設計方案

常見的運算放大器電路，運算放大器進行集成，而實用的運算放大器微分器則用途廣泛，我們研究了一些經(jīng)典的運算放大器電路。這些電路使用負反饋，通?？墒惯\算放大器在線性區(qū)域內(nèi)工作。

但是，運算放大器也可以用作比較器，這會使它們非線性工作。輸入被硬驅動，輸出電壓猛烈地擊向電源軌。正如我們將看到的那樣，這可能并不總是一種好的設計方法。

走向非線性

在線性應用中，理想的運算放大器假設適用：無限的增益和帶寬，零輸出阻抗，無限的輸入阻抗以及輸入之間的零伏。運放還可以以非線性方式使用，并且需要特別注意和處理。

一種常見的配置是僅使用運算放大器開環(huán)（無反饋），并使其高增益產(chǎn)生比較器操作。沒有負反饋，兩個輸入將不一定保持相同的電壓，因此第四個理想運算放大器假設無效。

圖1顯示了開環(huán)配置的運算放大器。當VIN大于零時，輸??出電壓升高，并被限制在正電源電壓附近。當輸入電壓變?yōu)樨撝禃r，運算放大器輸出將擺動為負值，再次限制在負電源電壓附近。在這里，我們假設運算放大器由常規(guī)的正負電源電壓供電。

圖1運算放大器用作零閾值電壓的比較器。

上面的比較器電路在零伏附近工作。圖2在電路中增加了一個電阻分壓器，以設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。

圖2帶有電阻分壓器的運算放大器比較器可設置閾值電壓。

圖3顯示了另一種常見的設計技術，該技術會向比較器添加遲滯。在這種情況下，輸入電壓驅動運算放大器的反相輸入，而VREF連接至同相輸入。R1R2電阻分壓器從輸出VOUT產(chǎn)生VREF。當VIN降至VREF以下時，輸出電壓升高，導致VREF移至更高的電壓。

圖3運算放大器比較器電路通過正反饋來增加磁滯。

同樣，當VIN轉換為高于VREF時，VOUT變?yōu)樽畲筘撦敵鲭妷?，從而將VREF拉低。這種滯后效應可防止輸入信號上存在的任何噪聲在轉換通過VREF時不會使比較器工作反向。

圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1 R2磁滯電路以及RC定時電路來產(chǎn)生方波輸出。實際上，它不是比較器電路。取而代之的是，它將運算放大器用作比較器以創(chuàng)建所需的輸出波形。假設VOUT以高電壓開始，因此它通過R3為C充電。電容器電壓將增加，同時與時間常數(shù)R3 C保持一致。

圖4多諧振蕩器電路添加了RC定時電路以產(chǎn)生方波輸出。

當電容器電壓大于VREF時，輸出電壓將擺動至負電源電壓。這導致電容器電壓被驅動為負，再次與時間常數(shù)R3 C一致。R1 R2分壓器在同相輸入上提供了一些滯后，從而使運放平穩(wěn)過渡。有關組件值如何確定多諧振蕩器頻率的詳細信息，請參見參考文獻4。

但是有問題

網(wǎng)上有很多關于這類非線性運算放大器電路的文章。但是，當我檢查IC供應商的網(wǎng)站時，我注意到他們強烈警告不要將運算放大器用作比較器[參考1和參考2]。引用的主要問題是：

某些運算放大器的輸入上具有鉗位二極管，它們限制了兩個輸入之間的最大電壓。這可以通過精心設計或選擇其他運算放大器來解決。

比較器應用程序將運算放大器驅動到飽和狀態(tài)。從飽和狀態(tài)恢復可能很慢，通常不指定。

大多數(shù)運算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負電源電壓。可能會指定也可能不會指定，并且可能無法很好地控制。

與為該特定應用設計的“真實比較器”相比，運算放大器的開關時間趨于變慢。

通常不將運算放大器的輸出設置為驅動數(shù)字邏輯，因此可能需要其他電路來對其進行調整。

當一個運放中有一個剩余放大器時，使用運放作為比較器的主要論據(jù)就出現(xiàn)了。畢竟，它只是免費坐在那里，等待使用。如果您決定采用這種方法，則需要對數(shù)據(jù)表進行仔細研究，并評估實際電路性能。確保運算放大器電路具有相當大的內(nèi)置余量。

非線性運算放大器操作的這些考慮因素也可能有助于我們理解線性應用中可能出現(xiàn)的一些問題。運算放大器的輸出被驅動到電源軌時會發(fā)生什么情況？如果是這樣，恢復需要多長時間？這對電路的性能有影響嗎？

這就是為什么IC供應商建議您使用真實的比較器而不是運算放大器的原因。畢竟，將比較器設計為比較器。它具有指定的開關特性和輸出驅動器，通常設置為驅動邏輯設備。有許多經(jīng)濟的設備可供選擇。

鮑勃·威特（Bob Witte）是技術咨詢公司Signal Blue LLC的總裁。

參考

“運算放大器用作比較器-可以嗎？” Bruce Trump，德州儀器（TI），2012年3月

“使用運算放大器作為比較器，”詹姆斯·布萊恩特（James Bryant），ADI，應用筆記AN-849，2011年

“我應該使用運算放大器作為比較器嗎？” Janet Heath，《模擬IC技巧》，2016年11月

“運算放大器多諧振蕩器”電子教程

運算放大器應用手冊，布魯斯·卡特（Bruce Carter）和托馬斯·布朗（Thomas R.Brown），德州儀器（TI），2016年9月

面向所有人的運算放大器，羅恩·曼奇尼（Ron Mancini），編輯，2002年8月

編輯：hfy