如何將運算放大器用作比較器的設(shè)計方案

在前一篇文章——“常見運算放大器電路”、“Opampsdointegration”和“實用運算放大器差分是靜音變體”——中，我們研究了一些經(jīng)典運算放大器電路。這些電路采用負反饋，所以運算放大器通?？梢怨ぷ髟诰€性區(qū)域。
然而，也可以使用運算放大器作為比較器，使得它以非線性方式工作。因為它的輸入是硬驅(qū)動的，所以它的輸出電壓會對電源軌產(chǎn)生劇烈的沖擊。如下所示，這可能并不總是一種好的設(shè)計方法。
變得非線性
圖1顯示了開環(huán)配置的運算放大器。當車輛識別號大于零時，輸出電壓變高，并限制在正電源電壓附近。當輸入電壓變?yōu)樨撝禃r，運算放大器的輸出將擺動到負值，并再次被限制在負電源電壓附近。這里假設(shè)運算放大器由傳統(tǒng)的正負電源電壓供電。上述比較器電路在零伏附近工作。圖2在電路中增加了一個電阻分壓器來設(shè)置反相輸入端的電壓，從而提供了一種控制比較器參考電壓VREF的方法。它顯示了另一種常見的設(shè)計技術(shù)，即給比較器增加遲滯。在這種情況下，輸入電壓驅(qū)動運算放大器的反相輸入，VREF連接到同相輸入。R1-R2電阻分壓器從輸出電壓VOUT產(chǎn)生VREF。當VIN降至VREF以下時，輸出電壓變高，導致VREF變?yōu)楦叩碾妷骸?br /> 同樣，當VIN轉(zhuǎn)換為高于VREF時，VOUT成為最大負輸出電壓，從而拉低VREF。當輸入信號上有任何噪聲時，這種遲滯效應(yīng)可以防止比較器在VREF轉(zhuǎn)換以上時反向工作。
圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1-R2滯后電路和RC定時電路來產(chǎn)生方波輸出。其實不是比較器電路。相反，它使用運算放大器作為比較器來創(chuàng)建所需的輸出波形。假設(shè)VOUT最初是高電壓，它會通過R3給C充電。電容器的電壓增加，這個過程與時間常數(shù)R3-C一致.當電容器電壓變得大于VREF時，輸出電壓將擺動到負電源電壓。這將導致電容電壓被驅(qū)動為負，這也與時間常數(shù)R3-c一致。R1-R2分壓器將在同相輸入上提供一定的遲滯，以便運算放大器能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過渡。有關(guān)元件值如何決定多諧振蕩器頻率的更多信息，請參見參考文獻
但是有一些問題
網(wǎng)上有很多關(guān)于這種非線性運算放大器電路的文章。但是我查了一些IC供應(yīng)商的網(wǎng)站，注意到他們強烈警告不要用運算放大器做比較器[參考文獻1和2]。主要問題包括：
一些運算放大器的輸入端有箝位二極管，這限制了兩個輸入端之間的最大電壓。這可以通過仔細設(shè)計或選擇其他運算放大器來解決。
比較器應(yīng)用將驅(qū)動運算放大器達到飽和。從飽和狀態(tài)恢復可能很慢，并且通常沒有具體說明。
大多數(shù)運算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負電源電壓。這可能有也可能沒有規(guī)定，而且可能沒有得到很好的控制
與針對這種特定應(yīng)用而設(shè)計的“真實比較器”相比，運算放大器的開關(guān)時間往往更慢。
運算放大器的輸出通常不設(shè)置為驅(qū)動數(shù)字邏輯，因此可能需要其他電路來調(diào)整。
使用運算放大器作為比較器的主要原因可能是，有時使用一個多運算放大器設(shè)備，只剩下一個放大器。畢竟就在那里，可以免費使用。如果您決定采用這種方法，您需要仔細研究數(shù)據(jù)手冊，評估實際電路性能是否有序。那么就需要保證運算放大器電路有相當大的內(nèi)置余量。
非線性運算放大器的上述考慮也可能有助于我們理解線性應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一些問題。運算放大器的輸出有可能被驅(qū)動到軌電壓嗎？如果有，需要多長時間恢復？這會影響電路的性能嗎？
所以很多IC供應(yīng)商都推薦用戶使用實比較器，而不是運算放大器。畢竟，比較器被設(shè)計成用作比較器。它具有指定的開關(guān)特性和輸出驅(qū)動，通常被設(shè)置為驅(qū)動邏輯器件。有許多經(jīng)濟的設(shè)備可供選擇。
BobWitte是技術(shù)咨詢公司SignalBlueLLC的總裁。
引用
“運算放大器使用了比較器—這是什么意思？”布魯斯特拉普，德克薩斯儀器公司，2012年3月
“使用運算放大器比較器”，詹姆布萊恩特，模擬設(shè)備，應(yīng)用筆記AN-849，2011
“應(yīng)不應(yīng)該使用模擬比較器？”2016年11月
“運算放大器多諧振蕩器”，電子電路
handbookoofoperationlamplifierprises，BruceCarterandThomasR。德州布朗大學，2016年9月
OpAmpsforEveryone，RonMancini