比较器的不稳定性可以用迟滞固化解决

关于比较器

比较器IC 旨在比较输入端出现的电压，并输出表示它们之间净差异符号的电压。在比较器电路中，如果差分输入电压高于输入失调电压（V OS ），加上所需的过驱动，则输出摆动到表示逻辑 1的电压。 。实际上，比较器可以被认为是一位模数转换器。除了作为A / D转换器的关键组件外，比较器还广泛用于电平检测，开关控制，时钟恢复电路，窗口检测器和施密特触发器。

运算放大器（运算放大器）可以 - 并经常用作比较器，无论是开环还是高增益模式，但更好的方法是使用为此目的而优化的特殊集成电路。 比较器的输出级连接比运算放大器更灵活。运算放大器使用推挽输出，通常尽可能靠近电源轨摆动，而某些比较器可能具有开路集电极输出和接地发射极。这允许输出级的上拉电压源在很宽的范围内变化，允许比较器连接到各种逻辑系列或负载电路。降低上拉电阻的值，提供增加的电流，将提高开关速度和抗噪性，但代价是增加功耗。比较器通常具有允许在正确时间选通输入的锁存器和关闭功能，可在不需要比较器时节省功耗。

内置通过基本上“开环”运行来尽可能快地比较两个电平，比较器通常缺少内部米勒补偿电容器或集成电路，因此具有非常宽的带宽。因此，比较器通常配置为没有负反馈（如果需要控制的高增益，则配置非常小）。

这种负反馈的缺失意味着，与运算放大器电路不同，输入阻抗不会乘以环路增益。结果，输入电流随着比较器的切换而变化。因此，驱动阻抗以及寄生反馈可以在影响电路稳定性方面起关键作用。虽然负反馈倾向于将放大器保持在其线性区域内，但正反馈迫使它们进入饱和状态。

迟滞的作用是什么？

即使没有实际的反馈电路，输出的电容性线性也是如此输入（通常是非反相输入），或输出电流耦合到地（非反相输入经常连接到地）可能导致比较器电路变得不稳定。保护高阻抗节点并注意布局和接地有助于最大限度地减少这些耦合效应。锁定也很有帮助。

但这些措施并不总是可以防止不稳定。一种经常有效的解决方案是使用正反馈来引入少量滞后。这具有分离上行和下行切换点的效果，这样一旦转换开始，输入必须经历显着的反转，然后才能发生反向转换。

当处理缓慢变化的信号时，即使有少量叠加噪声，当输入穿过并重新穿过阈值区域时，比较器往往会产生多个输出转换或反弹（图1）。在任何应用中都会出现噪声信号，特别是在工业环境中。当信号越过阈值区域时，噪声被开环增益放大，导致输出短暂地来回反弹。这在大多数应用中是不可接受的，但通常可以通过引入滞后来解决。

何处使用滞后

除比较器降噪外，还使用了系统滞后。 - 控制，以避免泵，炉和电机过度频繁循环。在最简单的应用中，当系统参数低于或高于参考设定点时，控制器打开和关闭执行器。在滞后的情况下，执行器保持打开，直到参数略高于设定值，开关，然后保持关闭，直到参数下降到低于设定值的值。发生切换的电平称为高阈值电压和低阈值电压，V th 和V tl 。家用恒温器的一个示例是设定点滞后，它使用某种形式的比较器来打开或关闭炉子。允许滞后几度的温度变化可以减少家庭环境中不必要的循环。图2显示了用于温度控制的比较器IC的典型电路。

设计具有迟滞的比较器电路

通过反馈到正输入小电流来应用迟滞输出电压的一部分（处于上限或下限）。该电压为输入增加了极性敏感的偏移，增加了阈值范围。

使用选定的比较器，设计人员必须确定是以反相还是非反相配置使用它，即正过驱动是否将输出切换为负或正限制。一些比较器具有正输出和负输出，为它们在系统中的使用赋予了很大的灵活性。通过将正输入端子连接到正输出和参考源之间的双电阻分压器的抽头，可以应用迟滞;反馈的输出电压量取决于电阻比。这将释放反相输入以直接连接输入信号，如图2所示。

如果信号应用于非反相输入 ，其源阻抗应足够低，以对输入定标或滞后比率产生不显着影响。为了从器件中获得最大性能，滞后应该足够大，以克服V OS （在整个工作温度范围内）加上所需的过驱动，这可以从制造商的数据表中确定。增加过驱动会减少器件的传播延迟。所需的过驱动水平随着环境温度的增加而增加。

图3和图4显示了使用双电源滞后。在图3中，信号被施加到反相输入。输出与输入关系曲线显示切换点附近。 R2通常比R1高得多。如果R 2 是无穷大，则没有滞后，并且器件将在V ref 处切换。滞后由输出电平和电阻比R 1 /（R 1 + R 2 ）和开关点电压决定通过衰减率R 2 /（R 1 + R 2 ）从V ref 稍微偏移。< / p>

在图4中，信号通过R1施加到非反相输入。由于输入信号稍微衰减，滞后将略大于反相情况。

如果参考电压位于比较器的高输出电压和低输出电压之间（如前所述）使用对称电源和接地参考），滞后的引入将使高阈值和低阈值移动与参考相等的距离。如果参考电压比另一个输出更接近一个输出，则阈值将不对称地放置在参考电压附近。

在单电源比较器操作中，需要抵消参考，使电路完全在第一象限内运行。图5显示了如何实现这一目标。电阻分压器（R2和R1）产生一个正参考电压，与输入进行比较。设计直流阈值的公式如图所示。

在上述配置中，在反馈电阻上放置一个电容会在反馈网络中引入一个极点。这具有增加高频滞后量的“触发”效应。当输入是存在高频噪声时相对缓慢变化的信号时，这非常有用。在大于f（p）= 1 /（2πC f R f ）的频率下，滞后接近V th = V cc 和V tl = 0V。在小于f（p）的频率下，阈值电压保持如公式所示。

对于具有互补（Q和 Q ）输出，正反馈和滞后的比较器，可以用两种方式实现。如图6所示。图6b的优点是可以在不加载信号源的情况下获得正输入 - 输出关系。

图7显示了一个电路。使用单电源部分将双极性信号与地面进行比较。

影响滞后的变量

比较器线性区域的偏移电压，输入偏置电流和有限增益均限制了开关阈值的精度，V th < / sub>和V tl 。输入偏置电流通常不是问题，因为大多数应用使用小型源电阻来利用比较器的高速。虽然它降低了功耗，但高源阻抗会增加比较器的传播延迟。为了保持所需的过驱动低，偏移量应尽可能小。当设计中需要极低的偏移时，可以使用开环放大器代替比较器。

跳变点精度（带滞后）也受器件到器件V oh 和V ol 。一种可能的补救措施是使用可编程参考，但是这个过程可能变得昂贵且耗时。更好的方法虽然仍然有些麻烦，但是当它变高时，使用精密钳位电路将输出保持在固定值（图8）。

结论

设计人员可以使用迟滞来消除比较器电路由于噪声引起的不稳定性。迟滞是可靠的，并且可以使用少量的正反馈进行预测。