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运算放大器和比较器的区别:为什么要选择比较器而不是运算放大器?

运算放大器和比较器的区别
运算放大器和比较器的区别

有很多原因可以解释为什么你不应该使用an运算放大器作为比较器,这也是为什么比较器电路存在在本文中,我们将更仔细地研究这些原因,并实际演示运算放大器和比较器的区别通过相互比较。

使用运算放大器作为比较器的原因

一般来说,运算放大器和比较器来自同一个高增益系列差动放大器它们有许多共同的特性——差分输入和单端输出,后者根据输入电压的不同产生电压。甚至两部分的示意符号也是一样的,如下图所示。

运算放大器与比较器符号

图1运放和比较器原理图

使用运算放大器作为比较器的一个最常见的原因是,运算放大器可以在有两个或甚至四个运算放大器的包中使用。在这种情况下,一个或多个运算放大器可能没有使用,而不是在电路的其他地方使用比较器,可以使用一个运算放大器。在大多数情况下,这是好的,但如果不清楚比较器和运算放大器的操作方式的差异,就会很快导致问题。

看看运算放大器和比较器的内部

理解的第一步运算放大器与比较器的区别就是看一下内部原理图。这里是它的内部结构图LM358运放LM393比较器所示。由于这两个部分都是通俗易懂的,所以在实际演示中也会用到。

LM358和LM393内部原理图

图2 lm358和lm393的内部原理图

乍一看,输入级大致相同(除了比较器上的额外二极管),唯一不同的是输出级。

数字和模拟输出:

最大的区别是比较器输出是开路集电极,运放输出是互补的NPN-PNP对。这已经指出了两者之间最大的区别——一个是设计来提供数字输出,而另一个是模拟输出。

由于比较器本质上是一个1位模数转换器,数字输出被设计为与各种逻辑家族接口,每个逻辑家族具有不同的高、低阈值。一个开路集电极输出可以是一个更复杂的电平漂移电路的一部分,以确保数字输入被驱动到正确的电平。另一个数字技巧是“导线或“多个输出-将它们连接到一个上拉电阻,当任何一个比较器的输出低时,整体输出低。”这在故障检测和窗口比较器中很有用,因为多个比较器的输出是绑定在一起的。这在一个互补的输出阶段是不可能的。另一个有趣的轶事是,虽然运算放大器可以用作比较器,但比较器不能用作运放-输出级不是简单地设计为在供电轨之间的电压下工作。

然而,运放的输出更加复杂,因为它被设计为精确复制模拟信号,失真非常低。

另一点需要注意的是运放的输出晶体管不是功率晶体管,因此不是设计成像比较器那样在一个轨道上饱和工作。为了保持输出饱和,运放可能会吸收比正常情况下更多的电流,从而导致发热。驱动输出晶体管由于在基地中储存电荷,饱和也会占用更多的时间。

然而,比较器的输出被设计成完全饱和的轨道,有时甚至具有抗饱和电路。这听起来可能违反直觉,但对于具有相当大的基极-发射极电容的功率晶体管来说,饱和可能需要一些时间。由于这个原因,一些比较器的电路输出晶体管接近饱和,所以它们不需要花时间摆动到另一个轨道。一个很好的例子是LM311

补偿电容(Cc):

这两种电路的第二大区别是“C”的存在C"在运放电路中。这是补偿电容这样就会减少运算放大器在高频时的增益。这是对运放的必要补充,直流稳定性是很重要的-输出不应该有振荡。这个电容也是运放相对“慢”的主要原因——补偿电容限制了输出反转率。这意味着运算放大器在电源轨道之间移动输出需要有限的时间。这(加上饱和问题)会导致作为比较器的运放的响应时间明显延迟。

而比较国则没有这种限制。任何微小的输入差异都会导致输出到供应轨道上的剧烈和快速摆动,这在数字系统中是一件好事,因为速度非常受欢迎。

反向输入引脚:

第三个比较不明显的区别是运算放大器和比较器电路的反相和非反相输入是反向的(相对于作为输入晶体管有源负载的电流镜而言)。这是因为比较器被设计为在开环配置(或正反馈)中是稳定的,而运放被设计为具有某种形式的负反馈。

运算放大器和比较器的输入输出限制

运算放大器和比较器内部电路的差异代表“微观”差异。还有其他“宏观”差异,表现为每种类型的设备额定处理的输入电压范围。

这与运算放大器和比较器所设计的反馈类型有很大关系。

对于一个可以开环或正反馈工作的比较器,如果其中一个输入高于或低于另一个输入,则输出必须快速响应,在其中一个轨道上饱和,表示数字0或1。

另一方面,设计用于外部负反馈网络的运算放大器试图通过改变输出并希望外部网络将输入差设为零来保持两个输入相同。

由此得到的明显结论是,比较器的输入共模(和差分)电压范围比运算放大器大得多。

附近的电压供给rails尤其如此,几乎所有的运算放大器与输入和输出操作,在几伏以上的供应rails(存在轨到轨输入和输出运算放大器,但他们有他们自己的问题),以及任何旅行超出这些限制通常会导致不必要的行为:

1.老式运算放大器有一个问题叫做反相’,驱动输入超出共模范围将导致输出反相-基本上使输出反相。

2.输入偏置和输入偏置电流在输入电压范围内不恒定。这是一个突出的问题,特别是在RRIO运算放大器中。输入过电压有时会激活保护钳位二极管,将电流分流至任一供电轨。一些运算放大器甚至在两个放大器之间有一对反并联二极管投入,任何大的差异都会立即被看作是输入阻抗的降低。这可能是个问题,也可能不是,这取决于输入。当在线性模式下使用时,这些二极管不是问题,因为负反馈试图保持输入微分为零。但当使用具有大输入电压波动的开环时,这些二极管会导通,降低输入阻抗,导致过热并最终破坏芯片。

LM358运算放大器与LM393比较器-一个实际例子

比较运算放大器和比较器的开关时间最好的方法是建立一个简单的比较器电路。

这里,一个LM358运放作为比较器,LM393也作为比较器。输入是来自CMOS的方波信号555定时器,它提供快速边缘。所有芯片由5V电源供电。

对于第一次演示,LM358和LM393设置为非反相比较器,这意味着当非反相输入上的电压超过反相输入时,输出变高。这里,逆变输入保持在2.5V,即电源电压的一半。

LM358和LM393输出波形

图3输出波形

这里,粉色波形是输入,黄色波形是LM393的输出,蓝色波形是LM358的输出。

可以清楚地看到,运算放大器输出显示了前面描述的所有特性:响应时间慢,上升沿和下降沿受转换速率限制,输出电压未达到正极电源。另一方面,黄色比较器输出几乎是快速输入的精确复制品。

运算放大器的响应延迟接近5us,上升时间为15us,而比较器的响应时间为250ns,上升时间小于100ns。

运算放大器比较器时序图

图4运算放大器比较器计时

比较器计时图

始比较器计时

结论

这篇文章描述运算放大器和比较器之间的区别以及为什么它们不能总是互换。为了确保最佳性能,必须小心确保充分理解应用程序部分。

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