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将运算放大器用作比较器的设计方案

电子设计

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描述

常见的运算放大器电路,运算放大器进行集成,而实用的运算放大器微分器则用途广泛,我们研究了一些经典的运算放大器电路。这些电路使用负反馈,通常可使运算放大器在线性区域内工作。

但是,运算放大器也可以用作比较器,这会使它们非线性工作。输入被硬驱动,输出电压猛烈地击向电源轨。正如我们将看到的那样,这可能并不总是一种好的设计方法。

走向非线性

在线性应用中,理想的运算放大器假设适用:无限的增益和带宽,零输出阻抗,无限的输入阻抗以及输入之间的零伏。运放还可以以非线性方式使用,并且需要特别注意和处理。

一种常见的配置是仅使用运算放大器开环(无反馈),并使其高增益产生比较器操作。没有负反馈,两个输入将不一定保持相同的电压,因此第四个理想运算放大器假设无效。

图1显示了开环配置的运算放大器。当V IN大于零时,输​​出电压升高,并被限制在正电源电压附近。当输入电压变为负值时,运算放大器输出将摆动为负值,再次限制在负电源电压附近。在这里,我们假设运算放大器由常规的正负电源电压供电。

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图1运算放大器用作零阈值电压的比较器。

上面的比较器电路在零伏附近工作。图2在电路中增加了一个电阻分压器,以设置反相输入端的电压,从而提供了一种控制比较器参考电压V REF的方法。

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图2带有电阻分压器的运算放大器比较器可设置阈值电压。

图3显示了另一种常见的设计技术,该技术会向比较器添加迟滞。在这种情况下,输入电压驱动运算放大器的反相输入,而V REF连接至同相输入。R 1 R 2电阻分压器从输出V OUT产生V REF。当V IN降至V REF以下时,输出电压升高,导致V REF移至更高的电压。

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图3运算放大器比较器电路通过正反馈来增加磁滞。

同样,当V IN转换为高于V REF时,V OUT变为最大负输出电压,从而将V REF拉低。这种滞后效应可防止输入信号上存在的任何噪声在转换通过V REF时不会使比较器工作反向。

图4中的多谐振荡器电路使用图3中的R1 R2磁滞电路以及RC定时电路来产生方波输出。实际上,它不是比较器电路。取而代之的是,它将运算放大器用作比较器以创建所需的输出波形。假设V OUT以高电压开始,因此它通过R3为C充电。电容器电压将增加,同时与时间常数R3 C保持一致。

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图4多谐振荡器电路添加了RC定时电路以产生方波输出。

当电容器电压大于V REF时,输出电压将摆动至负电源电压。这导致电容器电压被驱动为负,再次与时间常数R3 C一致。R1 R2分压器在同相输入上提供了一些滞后,从而使运放平稳过渡。有关组件值如何确定多谐振荡器频率的详细信息,请参见参考文献4。

但是有问题

网上有很多关于这类非线性运算放大器电路的文章。但是,当我检查IC供应商的网站时,我注意到他们强烈警告不要将运算放大器用作比较器[参考1和参考2]。引用的主要问题是:

某些运算放大器的输入上具有钳位二极管,它们限制了两个输入之间的最大电压。这可以通过精心设计或选择其他运算放大器来解决。

比较器应用程序将运算放大器驱动到饱和状态。从饱和状态恢复可能很慢,通常不指定。

大多数运算放大器的输出电压摆幅可能接近正负电源电压。可能会指定也可能不会指定,并且可能无法很好地控制。

与为该特定应用设计的“真实比较器”相比,运算放大器的开关时间趋于变慢。

通常不将运算放大器的输出设置为驱动数字逻辑,因此可能需要其他电路来对其进行调整。

当一个运放中有一个剩余放大器时,使用运放作为比较器的主要论据就出现了。毕竟,它只是免费坐在那里,等待使用。如果您决定采用这种方法,则需要对数据表进行仔细研究,并评估实际电路性能。确保运算放大器电路具有相当大的内置余量。

非线性运算放大器操作的这些考虑因素也可能有助于我们理解线性应用中可能出现的一些问题。运算放大器的输出被驱动到电源轨时会发生什么情况?如果是这样,恢复需要多长时间?这对电路的性能有影响吗?

这就是为什么IC供应商建议您使用真实的比较器而不是运算放大器的原因。毕竟,将比较器设计为比较器。它具有指定的开关特性和输出驱动器,通常设置为驱动逻辑设备。有许多经济的设备可供选择。

鲍勃·威特 (Bob Witte)是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。

参考

“运算放大器用作比较器-可以吗?” Bruce Trump,德州仪器(TI),2012年3月

“使用运算放大器作为比较器,”詹姆斯·布莱恩特(James Bryant),ADI,应用笔记AN-849,2011年

“我应该使用运算放大器作为比较器吗?” Janet Heath,《模拟IC技巧》,2016年11月

“运算放大器多谐振荡器”电子教程

运算放大器应用手册,布鲁斯·卡特(Bruce Carter)和托马斯·布朗(Thomas R.Brown),德州仪器(TI),2016年9月

面向所有人的运算放大器,罗恩·曼奇尼(Ron Mancini),编辑,2002年8月

编辑:hfy

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