一個(gè)看起來簡(jiǎn)單但又讓人極為痛苦的器件一一比較器

比較器，是一個(gè)看起來簡(jiǎn)單但又讓人極為痛苦的器件。如果你是剛學(xué)模擬電子技術(shù)的學(xué)生，那么在初次使用它時(shí)，不僅會(huì)被其詭異的表現(xiàn)難住，還將百思不得其解：如此簡(jiǎn)單的比較器，怎么就這般不聽話呢？

《新概念模擬電路》系列叢書之《信號(hào)處理電路》一本書中這樣說：

其實(shí)，比較器最常見的詭異現(xiàn)象就是翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)。以一個(gè)基準(zhǔn)電壓為0V，輸入信號(hào)為從-1V到1V的三角波為例，當(dāng)輸入信號(hào)穿越基準(zhǔn)電壓點(diǎn)時(shí)，理論上：輸出信號(hào)應(yīng)該立即翻轉(zhuǎn)，干脆利索，且輸入信號(hào)應(yīng)該不受任何影響。但實(shí)際情況如圖1左圖所示：輸出信號(hào)在翻轉(zhuǎn)位置出現(xiàn)了多次抖動(dòng)，然后才歸于平靜，然后，輸入信號(hào)居然也出現(xiàn)了抖動(dòng)毛刺。

圖1 比較器的翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)及克服抖動(dòng)帶來的效果

造成這種現(xiàn)象的原因很多，電源穩(wěn)定性和地線穩(wěn)定性不強(qiáng)是主要原因。其本質(zhì)原理是，比較器的輸出端突然發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部工作電流發(fā)生脈沖式突變，這個(gè)變化電流作用在電源電壓上，會(huì)導(dǎo)致電源電壓出現(xiàn)脈動(dòng)；作用在地線上，會(huì)導(dǎo)致地線電位出現(xiàn)脈動(dòng)。這種脈動(dòng)帶來的直接后果就是，比較器的輸入狀態(tài)發(fā)生變化：原本輸入信號(hào)已經(jīng)高于基準(zhǔn)電壓，卻因?yàn)榈鼐€脈動(dòng)的存在，出現(xiàn)瞬間的輸入信號(hào)低于基準(zhǔn)電壓，比較器出現(xiàn)誤翻轉(zhuǎn)。這種誤翻轉(zhuǎn)持續(xù)作用，就會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)。

翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)的存在，一定是輸入信號(hào)在處于基準(zhǔn)電壓附近時(shí)發(fā)生。當(dāng)輸入電壓持續(xù)增大，以至于地線抖動(dòng)不足以改變比較器的輸入狀態(tài)時(shí)，那么輸出就歸于平靜了。

克服翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)的本質(zhì)方法是加強(qiáng)電源和地線的穩(wěn)定性——想盡一切辦法讓電源和地線接近理論要求：不管電源、地線上流過多大電流，其電壓都是恒定不變的。比如加粗電源線（地線）、縮短電源線（地線）長(zhǎng)度，增加合適的電源旁路、去耦電容，使用高質(zhì)量的地平面，或者將數(shù)字地和模擬地分開且實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)接。

克服翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)的另外一種方法，就是給比較器增加遲滯：用正反饋將原本開環(huán)的比較器，改變成遲滯比較器。圖1右圖，即為增加了遲滯后的波形，可見其翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)幾乎不存在了。

五大規(guī)則，破除“詭異現(xiàn)象”

相對(duì)來說，高速比較器更易出現(xiàn)各種各樣的詭異現(xiàn)象。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初就必須牢記以下五大規(guī)則，以最大程度地避免詭異現(xiàn)象。

01給比較器電路增加合適的旁路電容

在器件電源管腳的最近處，對(duì)地接一個(gè)或者兩個(gè)電容，以避免突變電流在漫長(zhǎng)的電源線上——含有電阻和電感——產(chǎn)生的突變壓降。

02讓比較器電路使用地平面

由于地平面具有極大的面積，直接帶來的好處有兩點(diǎn)：第一，它具有極低的導(dǎo)通電阻，可以在通過大電流時(shí)保持地平面上任意兩點(diǎn)之間的電位差足夠小，以利于“地”與理論接近。第二，它還具有極低的電感，對(duì)高頻電流，也不會(huì)產(chǎn)生足夠大的壓降。

03用高速布線技術(shù)實(shí)施PCB設(shè)計(jì)

高速布線技術(shù)有別于低速，關(guān)鍵在于考慮了雜散參數(shù)。在低頻領(lǐng)域，電路板中的兩個(gè)隔離線，具有足夠大的電阻，但在高速領(lǐng)域，它們之間的雜散電容就會(huì)起作用。同時(shí)，長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線存在的電感，也會(huì)跳出來破壞正常的工作。因此，走線、位置、間距、方向、粗細(xì)、長(zhǎng)短、過孔等，都將對(duì)高速電路產(chǎn)生不可忽視的影響。此事說來話長(zhǎng)，要設(shè)計(jì)高速比較器電路，必須認(rèn)真研讀相關(guān)資料。

04使用合適的探頭、示波器

如果要觀察比較器輸入輸出狀態(tài)，則一定要注意：探頭和示波器不是理想的，它們會(huì)影響電路的正常工作。

05注意降低信號(hào)源內(nèi)阻

高速比較器接收的是高速信號(hào)，因此它非常懼怕低通濾波器。信號(hào)源電阻，也就是前級(jí)信號(hào)的輸出電阻，會(huì)與比較器輸入端電容組成低通濾波器。提高此低通濾波器上限截止頻率，是唯一的解決方案。而要如此，則有兩條路：第一，降低前級(jí)信號(hào)源的輸出電阻，第二，降低比較器輸入端的等效輸入電容。

一般來說，比較器入端等效電容主要由比較器芯片性能決定，也受線路與周邊“地”之間的雜散電容影響。當(dāng)選擇了輸入端電容最小的比較器，又通過優(yōu)秀的電路板設(shè)計(jì)，將雜散電容降至最小，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮降低前級(jí)信號(hào)源內(nèi)阻。