優(yōu)秀模擬工程師必備(二):放大器與比較器

　　放大器和比較器的區(qū)別

　　1.放大器與比較器的主要區(qū)別是閉環(huán)特性

　　放大器大都工作在閉環(huán)狀態(tài)，所以要求閉環(huán)后不能自激。而比較器大都工作在開環(huán)狀態(tài)更追求速度。對于頻率比較低的情況放大器完全可以代替比較器(要主意輸出電平)，反過來比較器大部分情況不能當作放大器使用。

　　因為比較器為了提高速度進行優(yōu)化，這種優(yōu)化卻減小了閉環(huán)穩(wěn)定的范圍。而運放專為閉環(huán)穩(wěn)定范圍進行優(yōu)化，故降低了速度。所以相同價位檔次的比較器和放大器最好是各司其責。如同放大器可以用作比較器一樣，也不能排除比較器也可以用作放大器。但是你為了讓它閉環(huán)穩(wěn)定所付出的代價可能超過加一個放大器!

　　換言之，看一個運放是當作比較器還是放大器就是看電路的負反饋深度。所以，淺閉環(huán)的比較器有可能工作在放大器狀態(tài)并不自激。但是一定要作大量的試驗，以保證在產品的所有工作狀態(tài)下都穩(wěn)定!這時候你就要成本/風險仔細核算一下了。

　　2.算放大器和比較器如出一轍，簡單的講，比較器就是運放的開環(huán)應用，但比較器的設計是針對電壓門限比較而用的，要求的比較門限精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時間要短，輸出符合TTL/CMOS電平/或OC等，不要求中間環(huán)節(jié)的準確度，同時驅動能力也不一樣。一般情況：用運放做比較器，多數達不到滿幅輸出，或比較后的邊沿時間過長，因此設計中少用運放做比較器為佳。

　　比較器和運放雖然在電路圖上符號相同，但這兩種器件確有非常大的區(qū)別，一般不可以互換，區(qū)別如下：

　　1)、比較器的翻轉速度快，大約在ns數量級，而運放翻轉速度一般為us數量級(特殊的高速運放除外)。

　　2)、運放可以接入負反饋電路，而比較器則不能使用負反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個輸入端，但因為其內部沒有相位補償電路，所以，如果接入負反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內部無相位補償電路，這也是比較器比運放速度快很多的主要原因。

　　3)、運放輸出級一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數比較器輸出級為集電極開路結構，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數字電路連接。

　　通過以上我們可以看出放大器和比較器還是有比較多的區(qū)別的，但是放大器可以替代比較器嗎?都有哪些的注意點呢?

　　運算放大器可以替代比較器嗎?

　　許多人偶爾會把運算放大器當比較器使用。一般而言，當您只需要一個簡單的比較器，并且您在四運算放大器封裝中還有一個“多余”運算放大器時，這種做法是可行的。穩(wěn)定運算放大器運行所需的相位補償意味著把運算放大器用作比較器時其速度會非常的低，但是如果對速度要求不高，則運算放大器可以滿足需求。偶爾會有人問到我們運算放大器的這種使用方法。這種方法有時有效，有時卻不如人們預期的那樣效果好。為什么會出現(xiàn)這種情況呢?

　　許多運算放大器都在輸入端之間有電壓鉗位，其大多數一般都使用背靠背二極管(有時使用兩個或者更多的串聯(lián)二極管)來實施。這些二極管保護輸入晶體管免受其基極結點反向擊穿的損害。差動輸入為約 6V 時便會出現(xiàn)許多 IC 工藝擊穿，這會極大地改變或者損壞晶體管。下圖顯示了 NPN 輸入級，D1 和 D2 提供了這種保護功能。

　　在大多數常見運算放大器應用中，輸入電壓均約為零伏，其根本無法開啟這些二極管。但是很明顯，對于比較器的運行而言，這種保護便成了問題。在一個輸入拖拽另一個輸入(以一種討厭的方式拉其電壓)以前，差動電壓范圍(約0.7V)受限。盡管如此，但我們還是可以把運算放大器用作比較器。但是，在我們這樣做時必須小心謹慎。在一些電路中，這種做法可能是完全不能接受的。

　　問題是我們(包括其他運算放大器廠商)并沒有總是說明這些鉗位的存在。即使有所說明，我們可能也不會做詳細的解釋或者闡述。也許我們應該說：“用作比較器時，請小心謹慎!”產品說明書的作者們通常也只是假設您肯定會把運算放大器當作運算放大器用。最近，我們在美國亞利桑那州圖森產品部召開了一個會議。會議決定，我們以后將會更加清楚地說明這種情況。但是，現(xiàn)在已經生產出來的運算放大器怎么辦呢?下列指導建議可能會對您有所幫助：

　　一般而言，雙極 NPN 晶體管運算放大器都有輸入鉗位，例如：OP07、OPA227 和 OPA277 等。uA741 是一個例外，它具有 NPN 輸入晶體管，并且有一些為 NPN 提供固有保護的附加串聯(lián)橫向 PNP。

　　使用橫向 PNP 輸入晶體管的通用運算放大器一般沒有輸入鉗位，例如：LM324、LM358、 OPA234、OPA2251 和 OPA244。這些運算放大器一般為“單電源”類型，其意味著它們擁有一個擴展至負電源端(或者稍低)的共模范圍。輸入偏置電流為一個負數時，表示輸入偏置電流自輸入引腳流出。這時，我們通?？梢哉J定它們?yōu)檫@類運算放大器。但是，需要注意的是，使用 PNP 輸入的高速運算放大器一般有輸入鉗位，而這些 PNP 是一些具有更低擊穿電壓的垂直 PNP。

　　更高電壓(一般大于 20V)下工作的 JFET 和 CMOS 放大器，可能有也可能沒有鉗位。這種不確定性，要求您進行更多仔細的檢查。所用工藝和晶體管類型的特性，決定了其內部是否存在鉗位。

　　大多數低壓 CMOS 運算放大器都沒有鉗位。自動歸零或者斬波器類型是一個特例，其可能具有類似鉗位的行為表現(xiàn)。

　　底線是……如果您考慮把運算放大器用作比較器，請一定小心謹慎。仔細閱讀產品說明書，不要漏掉一點信息，包括應用部分的一些注解內容。在電路試驗板或者樣機中驗證其表現(xiàn)，查看一個輸入電壓對另一個輸入電壓的影響。不要依賴 SPICE 宏模型。一些宏模型可能并不包括對鉗位建模的一些額外組件。另外，當您笨手笨腳地把運算放大器從一個軌移動到另一個軌時可能出現(xiàn)其他一些現(xiàn)象，我們可能無法精確地對這些現(xiàn)象建模。

　　比較器典型應用電路

　　這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應用。

　　1.散熱風扇自動控制電路

　　一些大功率器件或模塊在工作時會產生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風扇來冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡單的溫度控制電路，如圖7所示。負溫度系數(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率器件的溫度(散熱片上的溫度要比器件的溫度略低一些)，當5V電壓加在RT及R1電阻上時，在A點有一個電壓VA。當散熱片上的溫度上升時，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(即溫度一定時，其阻值也是一定的單值)。如果我們設定在80℃時應接通散熱風扇，這80℃即設定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80℃時對應的RT的阻值。R1的阻值是不變的(它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度變化不大時可認為R1值不變)，則可以計算出在80℃時的VA值。

　　R2與RP組成分壓器，當5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(電壓穩(wěn)定性較好)，調節(jié)RP可以改變VB的電壓(電位器中心頭的電壓值)。VB值為比較器設定的閾值電壓，稱為VTH。

　　設計時希望散熱片上的溫度一旦超過80℃時接通散熱風扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應等于80℃時的K值。一旦VA》VTH，則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風扇(直流電機)得電工作，使大功率器件降溫。VA、VTH電壓變化及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說清楚的是在VA開始大于VTH時，風扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經過一定時問才能把溫度降到80℃以下。

　　從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大;反之亦然，調整十分方便。只要RT確定，RT的溫度特性確定，則R1、R2、RP可方便求出(設流過RT、R1及R2、RP的電流各為0.1～0.5mA)。

　　2.窗口比較器

　　窗口比較器常用兩個比較器組成(雙比較器)，它有兩個閾值電壓VTHH(高閾值電壓)及VTHL(低閾值電壓)，與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個比較器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout輸出高電平;若VA《VTHL，VA》VTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個冰箱報警器電路。冰箱正常工作溫度設為0～5℃，(0℃到5℃是一個“窗口”)，在此溫度范圍時比較器輸出高電平(表示溫度正常);若冰箱溫度低于0V或高于5℃，則比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器(μC)作報警信號。

　　溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0℃時阻值為333.1kΩ;5℃時阻值為258.3kΩ，則按1.5V工作電壓及流過R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計算出0℃時的VA值為0.5V(按圖10中R1=665kΩ時)，5℃時的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設R2=665kΩ，則按圖11，可求出流過R2、R3、R4電阻的電流I=(1.5V-0.5V)/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=(R3+R4)0.0015mA， 則可求出R3=53.3kΩ。

　　本例中兩個比較器采用低工作電壓、低功耗、互補輸出雙比較器LT1017，無需外接上拉電阻。

　　總結：雖然在某種情況下運算放大器可以作為比較器來使用，但是當你對運算速度的要求較高時，運算放大器就不能滿足比較器的需求了。通過這篇文章大家可以充分了解到運算放大器與比較器的不同之處及運算放大器在何種情況下可用作比較器，也讓大家對放大器和比較器有了充分的認識與理解。