电子技术（七）——比较器

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一、比较器概述


运算放大器的一个应用是用作比较器，用来判断输入电压是否超过某个值。比较器是通过比较两个输入端的电流或电压的大小，在输出端输出不同电压结果的电子元件。比较器常被用于模数转换电路中。



图1.比较器的内部结构



图2.单端和差分比较器

二、滞回比较器


输入噪声对比较器工作的影响：在许多应用上，噪声（不期望的起伏不定的电压或电流）可能会出现在输入引线上。噪声叠加到输入电压上，这样会使比较器的输出状态无规律地来回切换变化。



图3.叠加噪声的正弦波



图4.噪声对比较器电路的影响

为了使比较器对噪声不那么敏感，可以使用一种包含正反馈的技术，称为滞回。本质上，滞回意味着当输入电压从较低向较高变化时的参考电压要高于当输入电压从较高向较低变化时的参考电压。

两个参考电压称为上触发点（upper trigger point，UTP）和下触发点（lower trigger ponit，LTP）。两电平的滞回是通过正反馈实现的。注意，同相（+）输入端连接到电阻分压器，使得输出电压的一部分反馈到输入端，输入信号连接到反相（-）输入端。



图5.滞回比较器



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一、什么是比较器

比较器的功能是比较两个或更多数据项，以确定它们是否相等，或者确定它们之间的大小关系和排列顺序，这称为比较。可以实现此比较功能的电路或设备称为比较器。比较器是将模拟电压信号与参考电压进行比较的电路。比较器的两个输入是模拟信号，输出是二进制信号0或1。当输入电压的差值增大或减小并且正负符号保持不变时，输出保持恒定。

二、比较器原理

在了解了什么是比较器之后，我们再来看看比较器的工作原理。

比较器可用作1位模数转换器(ADC)。运算放大器原则上可以用作比较器而没有负反馈，但是由于运算放大器的开环增益非常高，因此它只能处理输入差分电压很小的信号。而且，运算放大器的延迟时间通常较长，无法满足实际需求。可以调整比较器以提供非常小的时间延迟，但是其频率响应特性将受到限制。为了避免输出振荡，许多比较器还具有内部迟滞电路。比较器的阈值是固定的，有些只有一个阈值，有些有两个阈值。

                                             


三、比较器性能指标

在了解了比较器的工作原理后，我们来看看比较器的5大性能指标，这些性能指标包括：迟滞电压、偏置电流、超电源摆幅、漏源电压和输出延迟时间。下面，我们来一一解读这几个指标

1.迟滞电压：比较器的两个输入端子之间的电压在过零时将改变其输出状态。由于输入端通常叠加有很小的波动电压，因此这些波动产生的差模电压将导致比较器输出连续变化。为了避免输出振荡，新的比较器通常具有几mV的磁滞电压。迟滞电压的存在使比较器的开关点变为两个：一个用于检测上升电压，另一个用于检测下降电压，电压阈值之差(VTRIP)等于迟滞电压(VHYST)，磁滞比较器偏移电压是TRIP和VTRIP-的平均值。没有滞后的比较器的输入电压切换点是输入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压通常随温度和电源电压而变化。电源抑制比通常用于表示电源电压变化对补偿电压的影响。

2.偏置电流：理想比较器的输入阻抗是无限的，因此从理论上讲，它对输入信号没有影响，但是实际比较器的输入阻抗不可能是无限的。在输入端有电流流过信号源的内部电阻，并流入其中。在比较器内部，导致额外的压差。偏置电流(Ibias)定义为两个比较器的输入电流的中值，用于测量输入阻抗的影响。 MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。

3.超电源摆幅：为了进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim采用并联的NPN管和PNP管的结构作为比较器的输入级，以便比较器的输入电压可以扩展，使其下限可以低至最低水平，上限比电源电压高250mV，从而达到Beyond-theRail标准。该比较器的输入允许较大的共模电压。

4.漏源电压：因为比较器只有两个不同的输出状态(零电平或电源电压)，并且具有全功率摆幅特性的比较器的输出级是发射极跟随器，因此使其输入和输出信号压力差很小。该电压差取决于比较器内部晶体管处于饱和状态时的发射极结电压，该电压对应于MOSFFET的漏-源电压。

5.输出延迟时间：包括信号通过组件的传输延迟以及信号的上升时间和下降时间。对于高速比较器，例如MAX961，典型的延迟时间可以达到4.5ns，上升时间为2.3ns。设计时，请注意不同因素对延迟时间的影响，包括温度、电容的影响。