应用工程师问：放大器作为比较器？

Q.什么是比较器？它与运算放大器有何不同？

A.高增益比较器的基本功能是确定输入电压是高于还是低于基准电压，并将该决定表示为由输出限值确定的两个电压电平之一。比较器有多种用途，包括：极性识别、1位模数转换、开关驱动、方波/三角波生成和脉冲边沿生成。

原则上，任何高增益放大器都可用于执行这一简单决定。但“魔鬼在细节中”。因此，设计为运算放大器的器件和设计为比较器的器件之间存在一些基本差异。例如，为了与数字电路一起使用，许多比较器具有锁存输出，并且所有比较器都设计为具有与数字电压电平规格兼容的输出电平。对于设计师来说，还有一些重要的差异 - 它们将在这里讨论。

Q.在哪些情况下，人们可以走任何一条路？

A.在需要低失调和漂移以及低偏置电流和低成本的应用中，应考虑将放大器用作比较器。另一方面，在许多设计中，放大器不能被视为比较器，因为它从输出饱和恢复时间长，传播延迟长，并且不方便使其输出与数字逻辑兼容。此外，动态稳定性也是一个问题。

然而，使用放大器作为比较器具有成本和性能优势——如果清楚地了解它们的异同，并且应用可以容忍放大器的速度通常较慢。没有人可以声称放大器在所有情况下都可以作为比较器的直接替代品，但对于需要高精度比较的低速情况，一些新型放大器的性能无法与具有更大噪声和失调的比较器的性能相提并论。在一些输入缓慢变化的应用中，噪声会导致比较器输出来回快速摆动（参见“用迟滞解决比较器不稳定性”，《模拟对话》，第34卷，2000年）。此外，在使用双通道运算放大器代替运算放大器和比较器的应用中，或者在四通道封装中的四个放大器中的三个已经承诺，并且必须比较两个直流或缓慢变化的信号的设计中，可以节省成本或有价值的印刷电路板（PCB）面积。

Q.第四个放大器可以用作比较器吗？

A.这是当今许多系统设计人员都在问我们的问题。购买一个四通道运算放大器，只使用三个通道，然后购买一个单独的比较器是没有意义的——如果该放大器确实可以简单地用于比较功能的话。但要明确的是，放大器不能在所有情况下都可互换用作比较器。例如，如果应用要求在不到一微秒的时间内比较信号，则添加比较器可能是唯一的方法。但是，如果您了解放大器和比较器之间的内部架构差异，以及这些差异如何影响这些IC在应用中的性能，则可能能够获得使用单个芯片的固有效率。

在这些页面中，我们将介绍IC放大器技术的两个分支之间的参数差异，并提供使用放大器作为比较器的有用提示。

Q.那么放大器和比较器有何不同呢？

A.总体而言，运算放大器经过优化，可为精密闭环（反馈）电路中指定的线性输出值范围提供精度和稳定性（直流和动态）。然而，当开环放大器用作比较器时，其输出在其限值之间摆动，其内部补偿电容（用于提供动态稳定性）会导致输出缓慢地从饱和状态出来并在其输出范围内摆动。另一方面，比较器通常设计为开环工作，输出在指定的电压上限和下限之间摆摆，以响应两个输入之间的净差信号。由于它们不需要运算放大器的补偿电容，因此速度非常快。

如果比较器的输入电压大于基准电压加失调的正电压—V这（零基准电压源，它只是偏移）加上所需的过驱（由于增益和输出非线性有限），输出端出现一个对应于逻辑“1”的电压。当输入小于V时，输出将处于逻辑“0”这和所需的过载。实际上，比较器可以被认为是一位模数转换器。

指定比较器和放大器有不同的方法。例如，在放大器中，失调电压是必须施加到输入端的电压，以将输出驱动到对应于理想零输入的指定中间值。在比较器中，此定义被修改为输出端1至0之间的指定电压范围内居中。在具有TTL兼容输出的比较器中，比较器的“低”输出值（逻辑0）的额定值小于0.4 V最大值，而对于低压放大器，低输出值非常接近其负电源轨（例如，单电源系统中为0 V）。图1比较了典型放大器和比较器型号的低输出值，每个型号均施加–1 mV差分输入。

图1.单电源放大器（63 pV）和比较器（280 mV）型号对–1 mV输入电压差的响应。

比较器旨在尽快比较两个电平，没有运算放大器中常见的内部补偿电容（“Miller”电容），其输出电路能够比运算放大器更灵活地激励。由于没有补偿电路，比较器提供了非常宽的带宽。在输出端，普通运算放大器使用推挽式输出电路，在指定的电源电压之间实现基本对称的摆幅，而比较器通常具有带接地发射极的“集电极开路”输出。这意味着比较器的输出可以通过低值集电极负载电阻（“上拉”电阻）返回到与主正电源不同的电压。该特性允许比较器与各种逻辑系列接口。使用较低的上拉电阻值可提高开关速度和抗扰度，但代价是功耗增加。

由于比较器很少配置负反馈，因此其（差分）输入阻抗不会像运算放大器电路那样乘以环路增益。因此，当比较器切换时，输入信号会看到负载变化和（小）输入电流的变化。因此，在某些条件下，必须考虑驱动点阻抗。虽然负反馈使放大器保持在其线性输出区域内，因此大多数内部工作点的变化很小，但正反馈通常用于迫使比较器进入饱和状态（并提供迟滞以降低噪声灵敏度）。比较器的输入通常适应较大的信号摆幅，而由于接口要求，其输出范围有限，因此比较器内部需要大量快速电平转换。

放大器和比较器之间的上述差异都是有原因的，其主要目标是尽快比较快速变化的信号。但是，为了比较低速信号（特别是在需要亚mV分辨率的情况下），ADI公司的一些新型轨到轨放大器可能比比较器更好。

问：好的。我可以看到总体上存在差异。对于想要使用运算放大器代替比较器的设计人员来说，他们看起来如何？

A.以下是六个要点：

1. 考虑 V这和我B非线性与输入共模电压的关系

使用电压比较器时，通常的做法是将一个输入端子接地并使用单端输入。主要原因是输入级的共模抑制能力差。相比之下，许多放大器具有非常高的共模抑制，并且能够在存在大共模信号的情况下检测微伏级差异。图2显示了AD8605运算放大器采用100 V共模电压时对3 mV差分阶跃的响应。

图2.开环AD8605在100 V共模电压下对3 mV差分阶跃的响应。请注意 0V 和 5V 电源轨之间的基本线性摆动，以及干净的饱和度。

但是，对于许多人来说轨到轨输入放大器，输入失调电压（V这)和输入偏置电流（IB)在输入共模电压范围内呈非线性。使用这些放大器时，用户需要在设计中考虑这种变化。如果将阈值设置为零共模，但器件用于其他共模电平，则产生的逻辑电平可能与预期不符。例如，当比较该范围内某些电平的2 mV差时，器件在零共模时失调为5 mV，在整个共模范围内失调为6至3 mV，可能会给出错误的输出。

2. 注意输入保护二极管

许多放大器的输入端都有保护电路。当两个输入的差分电压大于标称二极管压降（例如0.7 V）时，保护二极管开始导通，输入击穿。因此，查看放大器的输入结构并确保其能够适应预期的输入信号范围至关重要。有些放大器，如OP777 / OP727 / OP747，没有保护二极管; 其输入可适应高达电源电压电平的差分信号。图3显示了OP777输入端对大差分信号的响应。在这种情况下，许多放大器的输入会发生故障，而OP777的响应正确。CMOS输入放大器的输入端没有保护二极管，其输入差分电压可以摆幅为轨到轨。但请记住，在某些情况下，在输入端施加较大的差分信号会导致放大器参数发生显著变化。

图3.OP777放大器对±2 V、1 kHz信号的响应，偏置+2V，与+0.5 V直流电平进行比较。请注意，此大摆幅没有相位反转。但是，在距负供电轨+0.5 V的共模电平下，增益相当低，从所需的大约0.3 V过驱可以看出。

3. 注意输入电压范围规格和反相趋势：

与通常输入电压在同一电平下工作的运算放大器不同，比较器通常会在其输入端看到较大的差分电压摆幅。但一些没有轨到轨输入的比较器被规定具有有限的共模输入电压范围。如果输入超过器件的指定共模范围（即使在指定的信号范围内），比较器可能会错误响应。对于一些采用结型FET（JFET）和双极性技术设计的旧型放大器，情况也可能如此。当输入共模电压超过一定限值（IVR）时，输出将经历相位反转。这种现象可能是有害的。因此，选择过驱动时不会出现反相的放大器绝对至关重要。这是使用具有轨到轨输入的放大器可以克服的一类问题。

4. 考虑饱和度恢复

典型的运算放大器不是设计用作快速比较器，因此当放大器输出被驱动到一个极端时，各个增益级将进入饱和状态，为补偿电容和寄生电容充电。放大器和比较器之间的设计区别在于比较器中增加了箝位电路以防止内部饱和。当放大器被推入饱和状态时，它需要一段时间才能恢复，然后摆动到新的最终输出值，具体取决于输出结构和补偿电路。由于从饱和状态需要时间，放大器用作比较器时比在闭环配置中受控使用时慢。可以在许多放大器数据手册中找到饱和恢复信息。图4显示了两个常用放大器（AD8061和AD8605）的饱和恢复曲线。这些放大器的输出结构为标准推挽轨到轨共发射极。

图4.在闭环配置中恢复两个常用放大器。

5. 影响过渡时间的因素

速度是放大器和比较器系列之间的区别之一。传播延迟是比较器在其输入端比较两个信号以及其输出达到两个输出逻辑电平之间的中点所花费的时间。传播延迟通常由过驱指定，过驱是施加的输入电压与给定时间内开关所需的基准电压之间的电压差。在下图中，将几种轨到轨CMOS放大器的响应与常用比较器进行比较。所有放大器的配置如图5（a-e）所示，施加电压，在在， = ±0.2 V，以 0 V 为中心。对于比较器，使用10 kΩ上拉电阻代替地负载。放大器速度差异很大，但由于饱和和较低的压摆率，它们都比比较器慢得多。

图 5a. 放大器电路。

图 5b. 正步长。

图 5c. 负步长。

图 5d. 正步长。

图 5e. 负步长。

图5.比较器和三个开环放大器型号的响应比较，±0.2 V驱动。一个。放大电路配置。b. 积极的步骤。c. 负步。然后，施加50 mV信号和20 mV过驱。周期 = 10 μs。d. 积极的步骤。e. 负阶梯。

 

部件号	电源电流 （μA）	失调电压（毫伏）	供应范围 （V）	压摆率（V/μs
AD8515	350	5.00	1.8-5.0	5
AD8601	1,000	0.05	2.7-5.0	4
AD8541	55	6.00	2.7-5.0	3
AD8061	8,000	6.00	2.7-8.0	300
LM139	3,200	6.00	5.0-3.6	---

 

虽然大多数比较器的额定过驱为2 mV至5 mV，但大多数高精度、低输入失调放大器可以在低至0.05 mV的过驱下可靠工作。施加在输入端的过驱量对传播延迟有显著影响。图6显示了AD8605对多个过驱动电压值的响应。

图6.AD8605作为比较器对过驱为1、10和100 mV的步进输入的响应。

由于放大器被允许消耗更多的功率，它们的速度会大大提高，因此它们可以在上升和下降时间方面与比较器竞争。图7包括一个示例——对于压摆率为8061 V/μs的AD300，在响应正弦过零输入的开环配置中，输出恢复时间为19 ns。然而，使用放大器作为比较器的最大缺点之一通常是其功耗，因为通常可以找到消耗较少电源电流（我他），但仍然运行良好。当然，对于使用线路电源的仪器，功耗通常不是很大的驱动因素。此外，许多放大器都有一个关断引脚，这是比较器中很少提供的功能;它可以用来节省电力。

图7.AD8061作为过零比较器的响应

在图8中，AD8061的阶跃响应与常用的LM139以及另外两个开环放大器的阶跃响应进行了比较，它们采用与图6相同的电路配置连接。可以看出，AD8061的响应速度在300 ns内，比LM139更快。这是以更高的电流消耗为代价实现的。

图8.三个放大器和一个常用比较器的阶跃响应。请注意AD8061的响应速度特别快。

6. 考虑与不同逻辑族接口的方式

当今许多轨到轨输出放大器采用5 V至15 V单电源供电，可轻松提供TTL或CMOS兼容输出，无需额外的接口电路。如果逻辑电路和运算放大器共用同一电源，则轨到轨运算放大器将相当成功地驱动CMOS和TTL逻辑系列，但如果运算放大器和逻辑电路需要不同的电源电平，则需要额外的接口电路。例如，考虑一个采用±5 V电源的运算放大器，该运算放大器必须采用+5 V电源驱动逻辑：由于如果对其施加–5 V电压，逻辑容易损坏，因此必须特别注意接口电路的设计。

图9所示为与逻辑电路接口的OP1177（双电源放大器），图10所示为其对100 mV过驱的响应。与 ±±5V 工作电压相比，采用 15V 电源时，静态功耗更低，并且由于输出级耗散引起的热反馈降至最低。较低的电源电压还降低了OP1177的上升和下降时间，因为输出在减小的电压范围内摆动，从而缩短了输出响应时间。

如果OP1177输出端没有保护电路，输出摆幅将降至+VCC2和 –V德斯;这些电平可能对下游逻辑电路有害。添加Q2和D2可防止输出变为负值，并将限制转换为TTL兼容的输出电平。D2箝位输出，使其不会低于0.7 V，从波形V（D2，2）可以看出。V 的值抄送可以选择Q2（本分析选择5 V），从而产生正确的逻辑电平，如波形V所示外.

图9.OP1177连接用于比较器工作，带有用于TTL输出的转换和保护电路。

图 10.OP1177比较器电路的响应波形

为了节省功耗，可以使用N沟道MOSFET代替图9所示的NPN晶体管。

Q.所以底线是...

A.放大器可用作比较器，在低频下具有出色的精度。事实上，为了比较具有微伏级分辨率的信号，精密放大器是唯一实用的选择。当使用自由放大器通道来满足比较器要求时，它们也可以成为多通道运算放大器用户的经济选择。精明的设计人员可以在优化设计的同时节省资金，如果他们不厌其烦地：了解放大器和比较器之间的异同;阅读放大器的数据手册，了解正确的特性;了解恢复时间、速度和功耗的权衡;并愿意使用配置为比较器的放大器来验证设计。

审核编辑：郭婷