如何將運(yùn)算放大器用作比較器的設(shè)計(jì)方案

在以前的文章中——“Common op-amp circuits”、“Op amps do integration”和“The practical op-amp differentiator is quite versatile”——我們研究了一些經(jīng)典的運(yùn)算放大器電路。這些電路中運(yùn)用了負(fù)反饋，因此通常就可以使運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域內(nèi)。

但是，也可以將運(yùn)算放大器用作比較器，從而使其以非線性方式工作。由于其輸入受到硬驅(qū)動(dòng)，因此其輸出電壓會(huì)對(duì)電源軌產(chǎn)生猛烈的沖擊。如下文所示，這可能并不總是一種好的設(shè)計(jì)方法。

變?yōu)榉蔷€性

在線性應(yīng)用中，可以對(duì)運(yùn)算放大器做如下理想假設(shè)：無限增益和帶寬、零輸出阻抗、無限輸入阻抗，以及輸入之間為零伏。也可以將運(yùn)算放大器以非線性方式使用，但有一些地方要特別注意和處理。

一種常見的配置是僅使用開環(huán)運(yùn)算放大器（無反饋），從而讓其高增益產(chǎn)生比較器工作。沒有負(fù)反饋，兩個(gè)輸入就不一定保持相同的電壓，因此上述第四點(diǎn)理想運(yùn)算放大器假設(shè)也就無效。

圖1顯示了開環(huán)配置的運(yùn)算放大器。當(dāng)VIN大于零時(shí)，輸出電壓變高，并被限制在正電源電壓附近。當(dāng)輸入電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，運(yùn)算放大器輸出將擺動(dòng)為負(fù)值，并再次被限制在負(fù)電源電壓附近。這里假設(shè)運(yùn)算放大器是由常規(guī)的正負(fù)電源電壓供電。

圖1：將運(yùn)算放大器用作零閾值電壓比較器。

上述比較器電路在零伏附近工作。圖2在該電路中增加了一個(gè)電阻分壓器，對(duì)反相輸入端的電壓進(jìn)行設(shè)置，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(yùn)放比較器，可對(duì)閾值電壓進(jìn)行設(shè)置。

圖3顯示了另一種常見的設(shè)計(jì)技術(shù)，即向比較器添加遲滯。在這種情況下，輸入電壓對(duì)運(yùn)算放大器的反相輸入進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，VREF則連接至同相輸入。R1-R2電阻分壓器從輸出VOUT產(chǎn)生VREF。當(dāng)VIN降至VREF以下時(shí)，輸出電壓變高，從而導(dǎo)致VREF變成更高的電壓。

圖3：運(yùn)放比較器電路通過正反饋來增加遲滯。

類似地，當(dāng)VIN轉(zhuǎn)換為高于VREF時(shí)，VOUT變?yōu)樽畲筘?fù)輸出電壓，從而將VREF拉低。這種遲滯效應(yīng)在輸入信號(hào)上存在有任何噪聲時(shí)，就可以防止其在過VREF轉(zhuǎn)換時(shí)造成比較器工作反向。

圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1-R2遲滯電路以及RC定時(shí)電路來產(chǎn)生方波輸出。實(shí)際上，它不是比較器電路。取而代之的是，它將運(yùn)算放大器用作比較器來創(chuàng)建所需的輸出波形。假設(shè)VOUT一開始為高電壓，那么它就會(huì)通過R3為C充電。電容器電壓就會(huì)增加，同時(shí)這個(gè)過程與時(shí)間常數(shù)R3-C保持一致。

圖4：多諧振蕩器電路添加RC定時(shí)電路以產(chǎn)生方波輸出。

當(dāng)電容器電壓變得大于VREF時(shí)，輸出電壓將擺動(dòng)至負(fù)電源電壓。這將導(dǎo)致電容器電壓被驅(qū)動(dòng)為負(fù)，這個(gè)過程同樣與時(shí)間常數(shù)R3-C保持一致。R1-R2分壓器將在同相輸入上提供一定的遲滯，從而使運(yùn)放實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。欲知有關(guān)元件值如何確定多諧振蕩器頻率的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)4。

但是有一些問題

網(wǎng)上有很多關(guān)于這類非線性運(yùn)放電路的文章。但是，當(dāng)我查看一些IC供應(yīng)商的網(wǎng)站時(shí)，我注意到他們強(qiáng)烈警告不要將運(yùn)算放大器用作比較器[參考文獻(xiàn)1和參考文獻(xiàn)2]。其主要問題包括：

一些運(yùn)算放大器的輸入上有鉗位二極管，因此會(huì)限制兩個(gè)輸入之間的最大電壓。這可以通過精心設(shè)計(jì)或選擇其他運(yùn)算放大器來解決。

比較器應(yīng)用會(huì)將運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。從飽和狀態(tài)恢復(fù)過來可能很慢，而且通常沒有指定。

大多數(shù)運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負(fù)電源電壓。這可能有所指定也可能沒有，而且可能無法實(shí)現(xiàn)很好的控制。

與為該特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的“真實(shí)比較器”相比，運(yùn)算放大器的開關(guān)時(shí)間趨于較慢。

運(yùn)算放大器的輸出通常不設(shè)置為對(duì)數(shù)字邏輯進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此可能需要使用其他電路來對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

想要將運(yùn)放用作比較器的主要原因可能是，有時(shí)使用一個(gè)多運(yùn)放器件，正好剩余了其中一個(gè)放大器。畢竟，它就在那里，可以免費(fèi)使用。如果您決定采用這種方法，則需要對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行仔細(xì)研究，并評(píng)估實(shí)際電路性能是否井然有序。然后就是要確保運(yùn)放電路具有相當(dāng)大的內(nèi)置裕量。

上述非線性運(yùn)放工作的考慮因素，也可能有助于我們理解線性應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一些問題。是否有可能運(yùn)放的輸出被驅(qū)動(dòng)到軌電壓？如果是這樣，恢復(fù)需要多長(zhǎng)時(shí)間？這對(duì)電路的性能有影響嗎？

因此，許多IC供應(yīng)商都建議用戶使用真實(shí)的比較器而不是運(yùn)算放大器。畢竟，比較器就是設(shè)計(jì)用作比較器。它具有指定的開關(guān)特性和輸出驅(qū)動(dòng)，通常設(shè)置為用來驅(qū)動(dòng)邏輯器件。有許多經(jīng)濟(jì)型器件可供選擇。

Bob Witte是技術(shù)咨詢公司Signal Blue LLC的總裁。

參考文獻(xiàn)

“Op Amps used as Comparators—is it okay?” Bruce Trump, Texas Instruments, March 2012

“Using Op Amps as Comparators,” James Bryant, Analog Devices, Application Note AN-849, 2011

“Should I use an op amp as a comparator?” Janet Heath, Analog IC Tips, November 2016

“Op-amp Multivibrator,” Electronics Tutorials

Handbook of Operational Amplifier Applications, Bruce Carter and Thomas R. Brown, Texas Instruments, Sept 2016

Op Amps for Everyone, Ron Mancini, editor, August 2002

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