比較器

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比較器是通過比較兩個輸入端的電流電壓的大小,在輸出端輸出不同電壓結果的電子元件。比較器常被用於模數轉換電路中。

輸入電壓範圍[編輯]

由於生產商不同,比較器正常工作時有不同的輸入電壓範圍。例如早期的LM111系列和某些高速比較器如LM119系列的額定輸入電壓需要遠小於供電電壓(例如供電36V時輸入電壓範圍為±15V)。[1]而軌至軌比較器只要求輸入電壓不大於供電電壓。使用雙電壓供電(±V)時有:

V_{S-} \le V_+,V_- \le V_{S+}

使用單電壓供電(+V,GND)時有:

0 \le V_+,V_- \le V_{cc}

某些型號(如LM139系列)的比較器在輸入端帶有PNP晶體管,這些比較器的輸入電壓可以低於供電電壓最低值0.3V,但不能高於供電電壓最大值。[2] LMH7322之類的超高速比較器的輸入電壓可以略高於(低於)工作電壓的極大極小值(可以超過0.2V),這也被稱作「超電源擺幅」。[3]比較器的輸入電壓範圍一般取決於供電電壓範圍。

運放電壓比較器[編輯]

簡單的運放比較器

運算放大器採用差分輸入,而且具有較高增益,這與比較器的特性相似,所以在實際應用中可以作為低性能比較器使用。[4]

理論上一個開環組態(無負反饋)的運放可以發揮低端比較器的作用。當正相輸入端(V+)的電壓高於反相輸入端(V-)時,由於運放較高的開環增益,在輸出端輸出一個正向飽和電壓+Usat。當反相輸入端(V-)的電壓高於正相輸入端(V+)時,在輸出端輸出一個反向飽和電壓-Usat。而對工作在線性段負反饋組態、由分離電壓供電(±V)的運放而言,其傳遞函數可寫作:V_{out}=A_{o} (V_1 - V_2),這與非線性無負反饋的比較器不同。

實踐中,與使用專用比較器相比使用運放比較器有以下缺點:

  1. 運放被設計為工作在有負反饋的線性段,因此飽和的運放一般有較慢的翻轉速度。大多數運放中都帶有一個用於限制高頻信號下壓擺率的補償電容。這使得運放比較器一般存在微秒級的傳播延遲,與之相比專用比較器的翻轉速度在納秒量級。
  2. 運放沒有內置遲滯電路,需要專門的外部網絡以延遲輸入信號。
  3. 運放的靜態工作點電流只有在負反饋條件下保持穩定。當輸入電壓不等時將出現直流偏置。
  4. 比較器的作用為數字電路產生輸入信號,使用運放比較器時需要考慮與數字電路接口的兼容性
  5. 多節運放的不同頻率間可能產生干擾
  6. 許多運放的輸入端有反向串聯二極管。運放兩極的輸入一般是相同的,這不會造成問題。但比較器的兩極需要接入不同的電壓,這就可能導致意想不到的二極管的擊穿。

專用電壓比較芯片[編輯]

一些電壓比較芯片

一般而言,專用電壓比較芯片用作比較器比通用的運放速度快。許多專用比較器還集成有內置標準參考電壓、可調延遲和時鐘脈衝門控輸入等功能。

專用電壓比較芯片(如LM339)被設計為可以與數字邏輯電路(TTLCMOS)的接口相連,輸出端是用來表徵真實信號的二進制數據。

關鍵參數[編輯]

比較器都是用於兩個電壓的比較,但在實際使用中還要考慮一些技術參數:

速度與功率[編輯]

比較器的速度與消耗功率直接相關。高速比較器的晶體管有較大的縱橫比,因此也需要消耗更多功率。[5]在實際應用中,一般根據具體需求選擇比較器。例如UCSP封裝或DFN或SC70封裝的比較器如MAX9027LTC1540LPV7215MAX9060MCP6541適用於低功耗的便攜設備。而用於構建高速時鐘信號的弛張振蕩器一般使用納秒級延遲的ADCMP572 (CML輸出)、LMH7220 (LVDS 輸出)、MAX999 (CMOS output / TTL 輸出)、LT1719 (CMOS 輸出/ TTL 輸出)、MAX9010 (TTL 輸出)和MAX9601 (PECL 輸出)等高速比較器。

內置參考電壓[編輯]

比較器一般被用於輸入電壓與給定參考電壓的比較。大多數廠商都在生產的芯片中集成了參考值。將參考電壓集成在芯片上的設計可以節省空間,同時電流還小於外接參考電壓的比較器。[6] 帶有參考電壓的芯片包括:MAX9062(參考電壓200 mV )、LT6700(參考電壓400 mV)、ADCMP350(參考電壓600mV)、MAX9025(參考電壓1.236V)、MAX9040(參考電壓2.048V)、TLV3012(參考電壓1.24V)和TSM109(參考電壓2.5V)。

時間連續與鍾控[編輯]

低功耗CMOS鍾控比較器

時間連續比較器持續不斷地根據輸入的信號輸出「0」或「1」的結果,且隨着輸入信號的改變迅速改變。但是許多實際設計如數模轉換和內存中只需要在指定的情況下輸出。通過時鐘控制或時鐘觸發方式讓比較器按照固定的時間間隔工作,可以使比較器達到更高的精度同時消耗更低功率。當時鐘處於高電平時,比較器處於時鍾再生模式,對輸入信號進行處理,給出強信號;當時鐘位於低電平時,比較器進入複位模式。[7] 這與沒有複位模式,只能一直給出弱信號的時間連續比較器相反。

應用[編輯]

過零比較器[編輯]

過零比較器被用於檢測一個輸入值是否是零。原理是利用比較器對兩個輸入電壓進行比較。兩個輸入電壓一個是參考電壓Vr,一個是待測電壓Vu。一般Vr從正相輸入端接入,Vu從反相輸入端接入。根據比較輸入電壓的結果輸出正向或反向飽和電壓。當參考電壓已知時就可以得出待測電壓的測量結果,參考電壓為零時即為過零比較器。

用比較器構造的過零比較器存在一定的測量誤差。當兩個輸入端的電壓差與開環放大倍數之積小於輸出閾值時探測器都會給出零值。例如,開環放大倍數為106,輸出閾值為6v時若兩輸入級電壓差小於6微伏探測器輸出零。這也可以被認為是測量的不確定度[8]

弛張振蕩器[編輯]

比較器可以用於構造弛張振蕩器,其中同時應用到了正反饋和負反饋。正反饋是一個施密特觸發器,這樣組成了一個多諧振蕩器。而RC電路在其中增加了負反饋,導致電路開始自發振蕩,使整個電路從鎖存器變成了弛張振蕩器。[9]

電平轉換器[編輯]

使用漏極開路的比較器(例如LM393TLV3011MAX9028)可以構造電平轉換器,用於改變信號電壓。選擇適當的上拉電壓可以靈活地選擇轉換的電壓值。例如使用MAX972比較器可以把±5V的信號轉換成3V信號。[6]

模數轉換器[編輯]

比較器的作用是比較一個輸入信號是否高於某一給定值,因此可以將輸入的模擬信號轉成二進制的數字信號。包括ΔΣ調製在內的幾乎所有的數模轉換器都含有比較器,用於對輸入的模擬信號進行量化。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ LM111/LM211/LM311 datasheet. National Semiconductor. January 2001. Retrieved 2010-08-05.
  2. ^ LM139/LM239/LM339/LM2901/LM3302 datasheet. National Semiconductor. March 2004. Retrieved 2010-08-05.
  3. ^ LMH7322 datasheet. National Semiconductor. January 2010. Retrieved 2010-08-05.
  4. ^ Malmstadt, Enke and Crouch, Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1, Chapter 5.
  5. ^ Rogenmoser, R.; Kaeslin, H, "The impact of transistor sizing on power efficiency in submicron CMOS circuits," Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume 32, Issue 7, Jul 1997 Page(s):1142–1145.
  6. ^ 6.0 6.1 AN886, Maxim Integrated Products, Selecting the Right Comparator.
  7. ^ Pedro M. Figueiredo, João C. Vital. Offset Reduction Techniques in High-Speed Analog-to-Digital Converters: Analysis, Design and Tradeoffs. Springer. 2009: 54–62. ISBN 9781402097157. 
  8. ^ Electronics and Instrumentation for Scientists. Malmstadt, Enke, and Crouch, The Benjamin/Cummings Publishing Co., In., 1981, pp.108–110.
  9. ^ Paul Horowitz and Winfield Hill: The Art of Electronics, Cambridge University Press, Second edition, Cambridge 1989, pp.284–285.

外部連結[編輯]

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