運(yùn)算放大器和比較器

比較器和運(yùn)算放大器電氣符號(hào)非常相像，都是有反相、同相兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的器件，輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間；同時(shí)比較器和運(yùn)算放大器都具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制比的特點(diǎn)。

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圖1 ?運(yùn)算放大器和比較器

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運(yùn)算放大器和比較器的區(qū)別

①輸出：

比較器一般為邏輯輸出，表征兩個(gè)輸入端的電位高低。現(xiàn)在市面上大部分比較器的輸出都可以兼容TTL和CMOS，比較器的輸出始終為正負(fù)電源軌之一。但是運(yùn)算放大器的輸出是模擬信號(hào)，目前CMOS型的運(yùn)放輸出一般都能做到軌到軌輸出【1】，運(yùn)放的輸出電壓信號(hào)可以是接近正負(fù)電源軌之間的任意值。在運(yùn)算放大器輸出動(dòng)態(tài)范圍不超過后端邏輯電路的供電軌條件下，運(yùn)放是可以用作比較器的。

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運(yùn)放用作比較器時(shí)，輸出是推挽架構(gòu)；而比較器可以做成推挽架構(gòu)，也可以做成開漏輸出架構(gòu)。

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②速度

比較器適用于開環(huán)系統(tǒng)，高速條件下工作，通常比較穩(wěn)定。運(yùn)算放大器過驅(qū)時(shí)可能會(huì)飽和，使得恢復(fù)速度相對(duì)較慢，而比較器的過載恢復(fù)時(shí)間很短。

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③輸入考慮因素：

很多運(yùn)算放大器都內(nèi)置保護(hù)電路，以防止大電壓損壞芯片。當(dāng)輸入較大差分電壓時(shí)，很多運(yùn)算放大器的輸入級(jí)都會(huì)出現(xiàn)異常，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的差分輸入電壓范圍通常是有限制的。

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圖2 ?運(yùn)放內(nèi)部輸入保護(hù)電路

非軌對(duì)軌運(yùn)放的共模輸入電壓范圍，不能到正電源軌；而比較器是支持到正電源軌的。

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?運(yùn)放用作比較器的應(yīng)用場景

運(yùn)放和比較器有很多相似的參數(shù)，在要求低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流、高共模抑制的應(yīng)用場景中選擇運(yùn)放替代比較器是比較方便的。

運(yùn)放一般有單運(yùn)放，雙運(yùn)放和四運(yùn)放的封裝。將運(yùn)放用作比較器，用一顆雙運(yùn)放或者四運(yùn)放就可以完成信號(hào)放大加比較的功能。無論是在便捷性、成本還是電路板的體積上，都會(huì)更有優(yōu)勢。

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運(yùn)放用做比較器的缺點(diǎn)

從辯證的角度來看，有優(yōu)點(diǎn)就一定會(huì)有缺點(diǎn)。在前文的區(qū)別中，我們已經(jīng)提及到了運(yùn)放和比較器的速度上的差異。因此在運(yùn)放用作比較器時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注速度、差分輸入電壓范圍和放大器輸出是否過載這幾點(diǎn)。

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運(yùn)放作比較器的注意事項(xiàng)

①電源：

如果邏輯和運(yùn)算放大器共用同一電源，軌到軌運(yùn)算放大器可以驅(qū)動(dòng)CMOS和TTL邏輯，但運(yùn)算放大器與邏輯電路如果不共用電源，則需要另外做接口電路。

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②輸入阻抗和偏置電流：

運(yùn)放用作比較器時(shí)，首先要滿足高輸入阻抗條件。CMOS運(yùn)放這種電壓反饋運(yùn)算放大器的輸入阻抗都在兆歐級(jí)別，滿足應(yīng)用。而對(duì)于電流反饋(跨導(dǎo))運(yùn)算放大器來說，反相輸入端阻抗極低，不能用作比較器。

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③差分輸入特性

運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)初衷是與負(fù)反饋配合，盡可能地降低差分輸入。在具體的應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要的差分輸入電壓、與運(yùn)放實(shí)際能提供的最大差分輸入電壓來考慮。

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④共模輸入特性

對(duì)于老式的FET型輸入運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入超過器件允許的共模電壓范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相位翻轉(zhuǎn)。目前各個(gè)廠家生產(chǎn)的運(yùn)放都通過各種手段盡量不讓運(yùn)放出現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。如果實(shí)際的共模電壓范圍超過運(yùn)放允許的輸入共模電壓范圍，需要實(shí)際驗(yàn)證確認(rèn)是否正常工作。

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⑤穩(wěn)定性

用作比較器的運(yùn)放由于外部沒有負(fù)反饋，開環(huán)增益非常高，因此，諸如PCB的寄生電容，同相輸入端的對(duì)地阻抗都可能會(huì)引起放大器的輸出震蕩，在設(shè)計(jì)上要重點(diǎn)考慮。

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備注：

【1】CMOS 架構(gòu)的運(yùn)放在低電流輸出時(shí)，飽和壓降非常小，甚至只有幾mV，輸出可以非常接近兩個(gè)電源軌，而不是等于。

【2】潤石科技比較器選型樹狀圖

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