解決比較器的主要挑戰(zhàn):負(fù)輸入和相位反轉(zhuǎn)

當(dāng)比較器中的負(fù)輸入電壓較大、超出輸入共模電壓范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不正確的輸出行為。如果無(wú)法避免負(fù)輸入電壓，請(qǐng)務(wù)必保護(hù)比較器的輸入引腳并防止發(fā)生相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這一點(diǎn)非常重要。

在本文中，我將探討比較器中出現(xiàn)負(fù)輸入電壓的原因和影響、相位反轉(zhuǎn)行為以及如何保護(hù)輸入免受負(fù)電壓的影響。

負(fù)輸入的原因和影響

負(fù)電壓可能由許多意想不到和不可避免的原因引起，包括直流/直流轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)噪聲、在輸入端產(chǎn)生雙極電壓的交流耦合輸入以及來(lái)自雙極輸出電感源的振鈴。在汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用等系統(tǒng)中，接地偏移或接地漂移（其中有兩個(gè)位于不同電位的不同參考點(diǎn)）也可能會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)輸入；當(dāng)存在分離的接地平面將模擬電路與大電流開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)隔離時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

制造商在制造比較器時(shí)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的靜電放電結(jié)構(gòu)，而是采用結(jié)隔離式裸片工藝來(lái)免受較大負(fù)輸入電壓的影響，其中P-N結(jié)在連接到公共裸片基板的每個(gè)節(jié)點(diǎn)下起著二極管的作用。請(qǐng)務(wù)必保持與公共裸片基板的連接位于GND引腳的最低負(fù)電位處，這一點(diǎn)非常重要。如果輸入引腳比GND引腳（以及基板）的負(fù)電壓更低，那么過(guò)大的反向電流會(huì)導(dǎo)致寄生元件的出現(xiàn)，并開(kāi)啟內(nèi)部寄生NPN晶體管，這些晶體管從其他內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和通道獲取電流，這會(huì)導(dǎo)致相位反轉(zhuǎn)。

相位反轉(zhuǎn)

在相位反轉(zhuǎn)條件下，輸出的極性會(huì)錯(cuò)誤地反轉(zhuǎn)。圖1顯示了一個(gè)采用同相配置的比較器，其中IN處的基準(zhǔn)電壓與GND處的0V相連。當(dāng)輸入電壓低于0V時(shí)，輸出電壓就會(huì)按預(yù)期變?yōu)榈碗娖?。然而，?dāng)輸入電壓達(dá)到約–570mV時(shí)，輸出電壓會(huì)反轉(zhuǎn)并變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖1 比較器中的相位反轉(zhuǎn)

圖2顯示了當(dāng)輸入低于0V時(shí)的比較器輸入電流和電源電流。隨著輸入電壓負(fù)向增加，反向電流也顯著增加。由于額外的P-N結(jié)現(xiàn)已打開(kāi)并導(dǎo)通，因此電源電流也會(huì)增加。

圖2 負(fù)輸入引起的輸入電流和電源電流

如何保護(hù)輸入免受負(fù)電壓的影響

為了保護(hù)比較器的輸入并防止相位反轉(zhuǎn)，您必須首先分析器件的最小輸入電壓和最大輸入電流。圖3顯示了LM2903B的絕對(duì)最大額定值表，其中規(guī)定最小輸入電壓為–0.3V，最大輸入電流為50mA。這些規(guī)格導(dǎo)致無(wú)法定義負(fù)輸入電壓超過(guò)0.3V的操作，因?yàn)檫@不符合輸入電壓規(guī)格，不能確保正常運(yùn)行。比較器可承受的最大電流為50mA：任何大于該值的電流都可能損壞器件。雖然將電流限制在50mA以下不會(huì)損壞器件，但仍可能發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，這意味著您必須將電流限制為一個(gè)遠(yuǎn)低于50mA的值，才能使比較器正常運(yùn)行。

表3 LM2903B的絕對(duì)最大額定值表

不建議在絕對(duì)最大限值之外運(yùn)行這些器件。如果無(wú)法避免這樣做，請(qǐng)使用一個(gè)串聯(lián)限流電阻和一個(gè)外部肖特基二極管，將其放置在輸入引腳和GND之間，這有助于將電壓和電流限制在安全水平，使體二極管不會(huì)開(kāi)始導(dǎo)通，如圖4所示。

圖4 比較器電路輸入端帶有肖特基二極管的限流電阻

一般經(jīng)驗(yàn)法則是選擇一個(gè)與最大負(fù)電壓之比為每伏1kΩ的電阻，以便將電流限制在 1mA或以下。例如，如果最大負(fù)輸入電壓為–2V，則電阻必須至少為2kΩ。遵循此規(guī)則將確保輸入電流完全在絕對(duì)最大值規(guī)格范圍內(nèi)，防止損壞比較器。

肖特基二極管的正向電壓比體二極管低；體二極管導(dǎo)通電壓約為0.4V，而肖特基二極管約為0.2V。這個(gè)外部二極管（連同將電流保持在1mA或更低的特性）將有助于確保負(fù)輸入電壓信號(hào)鉗位在0.3V以下，從而避免相位反轉(zhuǎn)。

另一種方法是使用能夠更好地防止相位反轉(zhuǎn)的比較器，例如TLV1701高電壓微功耗比較器。圖5顯示了其絕對(duì)最大額定值。最小輸入電壓比VS–低0.5V，最大輸入電流為10mA。

表5 TLV1701的絕對(duì)最大額定值表

圖6顯示了采用同相配置的TLV1701，其反相輸入與GND處的0V相連。當(dāng)輸入電壓低于0V時(shí)，即使輸入電壓超出–0.5V限制，輸出電壓也不會(huì)反相。當(dāng)輸入負(fù)向增加時(shí)，輸入電流將開(kāi)始呈指數(shù)增長(zhǎng)，并超過(guò)10mA的最大限制，這可能會(huì)損壞比較器。因此，在輸入端串聯(lián)一個(gè)10kΩ電阻有助于將電流降低到安全水平。

圖6 TLV1701具有負(fù)輸入的輸出電壓

結(jié)語(yǔ)

使用比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要考慮負(fù)輸入的影響以及它們?nèi)绾螌?dǎo)致輸出發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。在汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用等許多系統(tǒng)中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)上述較大的負(fù)電壓。運(yùn)行超出推薦限值時(shí)沒(méi)有安全保障，因此采取措施防止比較器損壞和相位反轉(zhuǎn)至關(guān)重要。使用本文提到的方法有助于提高電路性能，并盡量減少可能導(dǎo)致系統(tǒng)下游器件出現(xiàn)問(wèn)題的不必要輸出行為。