成功與否— 關(guān)鍵在于比較器

摘要： 本文結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明了如何利用比較器實(shí)現(xiàn)高性能電路的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 比較器；運(yùn)算放大器；電路設(shè)計(jì)

　　要作出一個(gè)明智的決策，絕對(duì)不是容易的事。挑選比較器的過(guò)程即是如此。選擇一個(gè)合適的比較器必須精通比較器的應(yīng)用場(chǎng)合、原理及類型。從2005年到2006年，比較器的市場(chǎng)增長(zhǎng)已超過(guò)了20%，但比較器在放大器整體市場(chǎng)中所占的份額僅為10%。

　　查閱維基百科便會(huì)發(fā)現(xiàn)大家熟知的雙路/四路比較器LM393/LM339排名很靠前。事實(shí)上，這兩個(gè)比較器也是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)使用最為普遍的器件系列之一。原因?yàn)楹?？如果單從?jīng)濟(jì)角度考慮，運(yùn)算放大器也可用作比較器，但這樣的做法是否可行？比較器的關(guān)鍵特性是什么？這些特性對(duì)于什么樣的應(yīng)用最重要？

本文將解答上述疑問(wèn)，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明如何利用比較器實(shí)現(xiàn)高性能電路的設(shè)計(jì)。

　　什么是比較器？它和放大器有什么不同？

　　我們從工程學(xué)教程里了解到，運(yùn)算放大器需要三個(gè)內(nèi)部級(jí)才能發(fā)揮出最佳性能，比如實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個(gè)內(nèi)部級(jí)分別是差分輸入級(jí)、增益級(jí)(有或沒(méi)有內(nèi)部頻率補(bǔ)償)和輸出級(jí)。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運(yùn)算放大器曾作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件，主要以電壓和電壓信號(hào)來(lái)作標(biāo)識(shí)。在反饋應(yīng)用中，通過(guò)配置放大器周邊的無(wú)源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對(duì)數(shù)等運(yùn)算。

　　比較器其實(shí)可看成一個(gè)能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說(shuō)，它可把輸入信號(hào)與已定義的參考電平進(jìn)行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設(shè)計(jì)具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無(wú)論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

　　在LM339的數(shù)據(jù)表中，列出了大量的應(yīng)用。這基本上可以解釋其在過(guò)去30年中為何被業(yè)界廣泛地采用。以下列出LM339的一些常見(jiàn)應(yīng)用：

　　·邏輯電平平移；
　　·過(guò)零檢測(cè)/觸發(fā)電路；
　　·電壓信號(hào)/電源電壓監(jiān)察；
　　·Window比較器、施密特觸發(fā)器；
　　·振蕩器；
　　·時(shí)鐘緩沖器；
　　·互導(dǎo)放大器。

　　比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運(yùn)算放大器類似。因此，運(yùn)算放大器也可充當(dāng)比較器。但放大器并不是專門針對(duì)比較功能而開(kāi)發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項(xiàng)功能可否正常實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會(huì)在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號(hào)的極性。

　　此外，比較器一般都會(huì)被設(shè)計(jì)成 “過(guò)壓驅(qū)動(dòng)”(overdriven)，意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對(duì)于運(yùn)算放大器而言，它通常被設(shè)計(jì)成在較小的信號(hào)和差分電壓下運(yùn)行，而這里的反饋概念通常都含有 “過(guò)驅(qū)” 意義，這樣會(huì)導(dǎo)致開(kāi)環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應(yīng)。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過(guò)驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的輸入級(jí)的飽和會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

　　再者，對(duì)于較大的差分輸入電壓來(lái)說(shuō)，運(yùn)算放大器的輸出很容易到達(dá)極限輸出，從而啟動(dòng)保護(hù)功能。保護(hù)功能的啟動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗的量級(jí)明顯下降，迫使過(guò)量的電流涌到輸入級(jí)，造成過(guò)載，甚至過(guò)熱。如果在設(shè)計(jì)上沒(méi)有保護(hù)的措施，那便可能導(dǎo)致整個(gè)器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會(huì)提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設(shè)計(jì)人員決定用多少附加輸入電阻。

　　比較器和運(yùn)算放大器之間最基本的區(qū)別就是他們具有不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。開(kāi)漏或開(kāi)集(以MOSFET為例)輸出都有一個(gè)可用作輸出但卻不內(nèi)部連接到V+的節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)連接正電源電壓的外部電阻器會(huì)在晶體管被關(guān)閉時(shí)將輸出拉成 “高”。這個(gè)外部電壓可以高于VCC，并且允許電平移位或可通過(guò)平行數(shù)個(gè)器件的兩個(gè)或更多個(gè)輸出來(lái)達(dá)到所謂的  “Wired-Or”2 功能 。假如內(nèi)部的晶體管啟動(dòng)，一個(gè)細(xì)小的電流會(huì)從外部電源經(jīng)過(guò)上拉電阻器流進(jìn)器件輸出，并令輸出電壓級(jí)轉(zhuǎn)換成 “低” 和接近VCE (雙極晶體管中的集極-發(fā)射極電壓)。

　　比較器通常都不進(jìn)行頻率補(bǔ)償功能，因此其工作速度相當(dāng)高，同時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí)間也在某程度上取決于 “過(guò)驅(qū)”的程度。圖1表示出當(dāng)衡量一個(gè)輸出狀態(tài)變化時(shí)的差分輸入電壓。從圖中可看出過(guò)驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進(jìn)行工作。一般來(lái)說(shuō)，較大的過(guò)驅(qū)可加快開(kāi)關(guān)時(shí)間。
比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來(lái)分類，例如：

圖1  輸入過(guò)驅(qū)和相關(guān)的傳播延遲消散

　　·通用比較器；
　　·高速比較器(傳播延遲少于50毫微秒)；
　　·低壓比較器(電源電壓VCC低于5V)；
　　·微功率比較器(靜態(tài)電流低于20微安)；
　　·集成參考的比較器。

　　比較器的特性取決于其類別，分別為：
　　·傳播延遲—由施加一個(gè)差分信號(hào)與切換狀態(tài)的輸出級(jí)之間的時(shí)間延遲 (例如是50%)。

　　·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開(kāi)關(guān)電壓和高到低開(kāi)關(guān)電壓之間的設(shè)計(jì)預(yù)算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過(guò)在指定的引腳上施加電壓。

　　·上升及下降時(shí)間—一般是輸出電壓的10%至90%的時(shí)間，并且上升和下降緣的時(shí)間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會(huì)導(dǎo)致輸出的周期時(shí)間會(huì)相對(duì)于輸入信號(hào)而改變。

　　·觸發(fā)率—指在某一個(gè)頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來(lái)變化。

　　·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

　　·抖動(dòng)—可以是隨機(jī)或事前決定，負(fù)責(zé)量度信號(hào)緣在時(shí)間上的不定性。

將運(yùn)算放大器作為比較器使用

　　由于運(yùn)算放大器一般都是雙路/四路的配置，用戶可以考慮將多出來(lái)的放大器做為比較器來(lái)用。如前所述，此時(shí)有不少地方需注意。首先，時(shí)間選擇很關(guān)鍵。當(dāng)把運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，其本身的增益帶寬乘積、群延遲和壓擺率等參數(shù)很可能會(huì)因內(nèi)部頻率補(bǔ)償和飽和效應(yīng)而誤產(chǎn)生變化。對(duì)于優(yōu)化的單器件來(lái)說(shuō)，這種應(yīng)用不失為一種經(jīng)濟(jì)增值方案。可是，對(duì)于比較復(fù)雜和可能阻礙性能發(fā)揮的四路器件來(lái)說(shuō)，這種方案不但所占的空間較多，而且需要花費(fèi)更多時(shí)間測(cè)試和調(diào)試以確

　　保運(yùn)算放大器的特性能夠配合。運(yùn)放用作比較器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：
　　
　　·細(xì)閱數(shù)據(jù)表上敘述的運(yùn)放拓?fù)浜吞崾拘畔ⅰ?br /> 　　·注意源阻抗、共模輸入范圍和差分輸入范圍。
　　·放大器在過(guò)驅(qū)時(shí)的開(kāi)關(guān)速度并計(jì)劃為這參數(shù)進(jìn)行大型擴(kuò)展。
　　·注意溫度變化帶來(lái)的影響。
　　·通過(guò)檢查負(fù)載阻抗、電源水平和電路的穩(wěn)定性來(lái)確保輸出已正確地連接到下一級(jí)。
　　·小心處理電路的設(shè)計(jì)和布局，例如即使只有很微量的輸出通過(guò)分布電容和/或高輸入阻抗被正反饋引入到輸入端，都有可能引起振蕩。

現(xiàn)代高速比較器

　　現(xiàn)今業(yè)界常用的比較器大多數(shù)是經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的，可為系統(tǒng)帶來(lái)增值效益。最普遍的比較器應(yīng)用類別是電平平移?，F(xiàn)今，TTL和CMOS邏輯電平均已被廣泛采用。對(duì)于高速應(yīng)用而言，還可采用ECL(發(fā)射極耦合邏輯)、RSPECL(擺幅削減正發(fā)射極耦合邏輯)或LVDS(低壓差分信號(hào))。當(dāng)需要從電纜和線路連接IC和FPGA，或在背板內(nèi)的信號(hào)速度處于由每秒數(shù)百兆位至數(shù)千兆位的高速范圍時(shí)，上述方案便會(huì)成為首選。LMH7220和 LMH7322便是可用作為高速/超高速電平比較變換的高速比較器件。

　　圖2表示出一個(gè)LMH7322雙高速比較器，并且以ECL變換到RSPECL的轉(zhuǎn)換器方式實(shí)現(xiàn)。ECL高速邏輯已經(jīng)沿用了很多年，尤其是供軍事或測(cè)量用以及工業(yè)用的高檔設(shè)置，而且它們屬于負(fù)電壓電平參考信號(hào)(-5.2V接地)，難以連接到其它分離電源或單電源系統(tǒng)。幸而，LMH7322不單可有效解決上述的問(wèn)題，與此同時(shí)比較起一般的邏輯電平移位器，它可提供給設(shè)計(jì)人員更大的自由度。該比較器在輸入和輸出電路上擁有不同的電源引腳，而其電源可以是由2.7V至12V的單一電源，又或是由±6V至±1.35V的分離電源。器件在輸入時(shí)的共模范圍可超出最低的電源電平200mV，從而令能在如此低的輸入信號(hào)電平下感測(cè)到細(xì)微的信號(hào)。在高邊上，共模范圍受到1.5V的VCCI的限制，但需配合2.7V的VCCI和VCCO，還是有可能在輸出上提供PECL邏輯電平。

圖2  ECL 到 RSPECL 的電平變換