优秀模拟工程师必备(二):放大器与比较器

比较器是业界应用极其广泛的标准元件。比较器具有外部滞后、锁存、灵活的电源电压和输出配置等多项功能和特性。作为一名出色的模拟工程师，熟练使用比较器是必须的。在实际设计应用的比较器经常用到，偶尔工程师也会将运算放大器来作为比较器使用，那么究竟比较器是什么呢?原理和作用是什么?运算放大器真的可以用作比较器来使用吗?运算放大器和比较器的区别在哪里?在这里小编为大家整理了一些关于运算放大器和比较器的内容，供大家学习和参考。

什么是比较器?比较器原理

我们从工程学教程里了解到，运算放大器需要三个内部级才能发挥出最佳性能，比如实现高输入阻抗、低输出阻抗和高增益等。三个内部级分别是差分输入级、增益级(有或没有内部频率补偿)和输出级。这种基本的体系结构已经沿用了好几十年。早期，运算放大器曾作为数学运算的基本器件，主要以电压和电压信号来作标识。在反馈应用中，通过配置放大器周边的无源或有源器件，可以令系统执行加、减、乘、除和对数等运算。

比较器其实可看成一个能够作逻辑 “决策”的逻辑输出电路。换句话说，它可把输入信号与已定义的参考电平进行比较。比较器的逻辑输出功能可以帮助用户设计具有多样化的额外功能的模拟电路。而且，无论是高速ADC、SAR型ADC还是Sigma-Delta ADC，比较器都是组建集成ADC的内部基本而又关键的模块。

比较器的基本体系结构和大部份的参数属性都与运算放大器类似。因此，运算放大器也可充当比较器。但放大器并不是专门针对比较功能而开发的，而且放大器的数据表一般都不保证这项功能可否正常实现。运算放大器与比较器的最大分别在于比较器是开环设计，没有反馈环节，而且输出会在任何一条电源轨的范围内显示差分输入信号的极性。

此外，比较器一般都会被设计成 “过压驱动”(overdriven)，意思是它可经常处理较大的差分输入电压。相反，对于运算放大器而言，它通常被设计成在较小的信号和差分电压下运行，而这里的反馈概念通常都含有 “过驱” 意义，这样会导致开环配置中的输入出现饱和效应。如果将输入的极性倒转，则过驱时产生的输入级的饱和会导致信号的传播具有一定的延迟或相位滞后。

再者，对于较大的差分输入电压来说，运算放大器的输出很容易到达极限输出，从而启动保护功能。保护功能的启动将会导致输入阻抗的量级明显下降，迫使过量的电流涌到输入级，造成过载，甚至过热。如果在设计上没有保护的措施，那便可能导致整个器件损毁。因此，在器件的数据表，通常都会提供器件的最大输入电流的额定值，以帮助设计人员决定用多少附加输入电阻。

比较器通常都不进行频率补偿功能，因此其工作速度相当高，同时开关时间也在某程度上取决于 “过驱”的程度。图1表示出当衡量一个输出状态变化时的差分输入电压。从图中可看出过驱需要高于失调电压才可以保证比较器有效地进行工作。一般来说，较大的过驱可加快开关时间。

比较器一般都以参数值和/或功能来分类，例如：

图1 输入过驱和相关的传播延迟消散

·通用比较器;

·高速比较器(传播延迟少于50毫微秒);

·低压比较器(电源电压VCC低于5V);

·微功率比较器(静态电流低于20微安);

·集成参考的比较器。

比较器的特性取决于其类别，分别为：

·传播延迟—由施加一个差分信号与切换状态的输出级之间的时间延迟 (例如是50%)。

·内部或外部滞后— 滞后是一种介乎低到高开关电压和高到低开关电压之间的设计预算中或需激活的差别。有些比较器具备可调节滞后水平的功能，方法是通过在指定的引脚上施加电压。

·上升及下降时间—一般是输出电压的10%至90%的时间，并且上升和下降缘的时间可以有差别，假如这情况出现，那将会导致输出的周期时间会相对于输入信号而改变。

·触发率—指在某一个频率下，比较器的输出可以跟随输入的状态来变化。

·消散—量度传播延迟变化的参数。

·抖动—可以是随机或事前决定，负责量度信号缘在时间上的不定性。

现代高速比较器

现今业界常用的比较器大多数是经过优化设计的，可为系统带来增值效益。最普遍的比较器应用类别是电平平移。现今，TTL和CMOS逻辑电平均已被广泛采用。对于高速应用而言，还可采用ECL(发射极耦合逻辑)、RSPECL(摆幅削减正发射极耦合逻辑)或LVDS(低压差分信号)。当需要从电缆和线路连接IC和FPGA，或在背板内的信号速度处于由每秒数百兆位至