2022-06-09什麽(me) 是比較器？它和放大器有什麽(me) 不同？
我們(men) 從(cong) 工程學教程裏了解到，運算放大器需要三個(ge) 內(nei) 部級才能發揮出最佳性能，比如實現高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個(ge) 內(nei) 部級分別是差分輸入級、增益級（有或沒有內(nei) 部頻率補償(chang) ）和輸出級。這種基本的體(ti) 係結構已經沿用了好幾十年。早期，運算放大器曾作為(wei) 數學運算的基本器件，主要以電壓和電壓信號來作標識。在反饋應用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令係統執行加、減、乘、除和對數等運算。
比較器其實可看成一個(ge) 能夠作邏輯 “決(jue) 策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號與(yu) 已定義(yi) 的參考電平進行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設計具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nei) 部基本而又關(guan) 鍵的模塊。
比較器的基本體(ti) 係結構和大部份的參數屬性都與(yu) 運算放大器類似。因此，運算放大器也可充當比較器。但放大器並不是專(zhuan) 門針對比較功能而開發的，而且放大器的數據表一般都不保證這項功能可否正常實現。運算放大器與(yu) 比較器的最大分別在於(yu) 比較器是開環設計，沒有反饋環節，而且輸出會(hui) 在任何一條電源軌的範圍內(nei) 顯示差分輸入信號的極性。
此外，比較器一般都會(hui) 被設計成 “過壓驅動”（overdriven），意思是它可經常處理較大的差分輸入電壓。相反，對於(yu) 運算放大器而言，它通常被設計成在較小的信號和差分電壓下運行，而這裏的反饋概念通常都含有 “過驅” 意義(yi) ，這樣會(hui) 導致開環配置中的輸入出現飽和效應。如果將輸入的極性倒轉，則過驅時產(chan) 生的輸入級的飽和會(hui) 導致信號的傳(chuan) 播具有一定的延遲或相位滯後。
再者，對於(yu) 較大的差分輸入電壓來說，運算放大器的輸出很容易到達極限輸出，從(cong) 而啟動保護功能。保護功能的啟動將會(hui) 導致輸入阻抗的量級明顯下降，迫使過量的電流湧到輸入級，造成過載，甚至過熱。如果在設計上沒有保護的措施，那便可能導致整個(ge) 器件損毀。因此，在器件的數據表，通常都會(hui) 提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設計人員決(jue) 定用多少附加輸入電阻。
比較器和運算放大器之間最基本的區別就是他們(men) 具有不同的輸出級結構。開漏或開集（以MOSFET為(wei) 例）輸出都有一個(ge) 可用作輸出但卻不內(nei) 部連接到V+的節點，而一個(ge) 連接正電源電壓的外部電阻器會(hui) 在晶體(ti) 管被關(guan) 閉時將輸出拉成 “高”。這個(ge) 外部電壓可以高於(yu) VCC，並且允許電平移位或可通過平行數個(ge) 器件的兩(liang) 個(ge) 或更多個(ge) 輸出來達到所謂的 “Wired-Or”2 功能 。假如內(nei) 部的晶體(ti) 管啟動，一個(ge) 細小的電流會(hui) 從(cong) 外部電源經過上拉電阻器流進器件輸出，並令輸出電壓級轉換成 “低” 和接近VCE （雙極晶體(ti) 管中的集極-發射極電壓）。
比較器通常都不進行頻率補償(chang) 功能，因此其工作速度相當高，同時開關(guan) 時間也在某程度上取決(jue) 於(yu) “過驅”的程度。圖1表示出當衡量一個(ge) 輸出狀態變化時的差分輸入電壓。從(cong) 圖中可看出過驅需要高於(yu) 失調電壓才可以保證比較器有效地進行工作。一般來說，較大的過驅可加快開關(guan) 時間。
比較器一般都以參數值和/或功能來分類，例如：
圖1 輸入過驅和相關(guan) 的傳(chuan) 播延遲消散
·通用比較器；
·高速比較器（傳(chuan) 播延遲少於(yu) 50毫微秒）；
·低壓比較器（電源電壓VCC低於(yu) 5V）；
·微功率比較器（靜態電流低於(yu) 20微安）；
·集成參考的比較器。
比較器的特性取決(jue) 於(yu) 其類別，分別為(wei) ：
·傳(chuan) 播延遲—由施加一個(ge) 差分信號與(yu) 切換狀態的輸出級之間的時間延遲 （例如是50%）。
·內(nei) 部或外部滯後— 滯後是一種介乎低到高開關(guan) 電壓和高到低開關(guan) 電壓之間的設計預算中或需激活的差別。有些比較器具備可調節滯後水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。
·上升及下降時間—一般是輸出電壓的10%至90%的時間，並且上升和下降緣的時間可以有差別，假如這情況出現，那將會(hui) 導致輸出的周期時間會(hui) 相對於(yu) 輸入信號而改變。
·觸發率—指在某一個(ge) 頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態來變化。
·消散—量度傳(chuan) 播延遲變化的參數。
·抖動—可以是隨機或事前決(jue) 定，負責量度信號緣在時間上的不定性。 將運算放大器作為(wei) 比較器使用
由於(yu) 運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的放大器做為(wei) 比較器來用。如前所述，此時有不少地方需注意。首先，時間選擇很關(guan) 鍵。當把運算放大器用作比較器時，其本身的增益帶寬乘積、群延遲和壓擺率等參數很可能會(hui) 因內(nei) 部頻率補償(chang) 和飽和效應而誤產(chan) 生變化。對於(yu) 優(you) 化的單器件來說，這種應用不失為(wei) 一種經濟增值方案。可是，對於(yu) 比較複雜和可能阻礙性能發揮的四路器件來說，這種方案不但所占的空間較多，而且需要花費更多時間測試和調試以確
保運算放大器的特性能夠配合。運放用作比較器時需要注意以下幾點：
·細閱數據表上敘述的運放拓撲和提示信息。
·注意源阻抗、共模輸入範圍和差分輸入範圍。
·放大器在過驅時的開關(guan) 速度並計劃為(wei) 這參數進行大型擴展。
·注意溫度變化帶來的影響。
·通過檢查負載阻抗、電源水平和電路的穩定性來確保輸出已正確地連接到下一級。
·小心處理電路的設計和布局，例如即使隻有很微量的輸出通過分布電容和/或高輸入阻抗被正反饋引入到輸入端，都有可能引起振蕩。
現代高速比較器
現今業(ye) 界常用的比較器大多數是經過優(you) 化設計的，可為(wei) 係統帶來增值效益。最普遍的比較器應用類別是電平平移。現今，TTL和CMOS邏輯電平均已被廣泛采用。對於(yu) 高速應用而言，還可采用ECL（發射極耦合邏輯）、RSPECL（擺幅削減正發射極耦合邏輯）或LVDS（低壓差分信號）。當需要從(cong) 電纜和線路連接IC和FPGA，或在背板內(nei) 的信號速度處於(yu) 由每秒數百兆位至數千兆位的高速範圍時，上述方案便會(hui) 成為(wei) 首選。
假如典型的上升和下降時間為(wei) 160ps，而典型的傳(chuan) 播延遲則為(wei) 700ps，那便可促使該比較器為(wei) 高速至每秒數千兆位的信號進行緩衝(chong) 和電平平移，從(cong) 而使電路適合應用在高速數據、時移、緩衝(chong) ，或是來自電纜或背板的信號恢複。一個(ge) 可調節的滯後可通過HYST引腳來施行，這做法對於(yu) 失真信號或DC耦合線路或移動緩慢的信號來說最為(wei) 受用，因為(wei) 這可避免出現不必要的開關(guan) 和觸發。圖2中的應用電路表示出輸入VCCI信號是處於(yu) 係統接地電平，而VCCO電平和VEE電平則分別處於(yu) +5V和-5.2V（這便是ECL驅動器負電源電平）。此外，輸出電壓將可符合RSPECL的規格。同一個(ge) 器件可以用來介接到其他的邏輯電平，隻需稍為(wei) 調節VCCI和VCCO及VEE電壓電平便可。加入例如是50W的適當線路端接是有可能的，圖3所示為(wei) 一基本端接例子。
圖3中的差分輸出以一個(ge) 跟隨著電源電流的發射極來實現，並且確保兩(liang) 個(ge) 輸出引腳之間的擺幅差別有400mV。假如這裏采用有源端接，那電壓便會(hui) 低於(yu) VCCO電平2V，否則每當端接到芯片的最負電源時，便需計算出正確的負載電阻。
一個(ge) “新類別”—精度比較器
一般比較器都有約10mV或更大的輸入失調電壓。精度型比較器的優(you) 點很明顯，因為(wei) 它可比較微弱信號。迄今為(wei) 止，仍有人采用運算放大器作為(wei) 比較器，就是因為(wei) 一般的比較器不具有足夠的精度。在電池電量監測應用中，當充電/放電的電壓梯度相對平坦時，便可采用這些參數。其他特色功能包括低功耗、高精度，及可調整的檢測閾值。
圖5 非對稱滯後的典型配置
圖5表示出可用來提供非對稱滯後的內(nei) 部參考和四個(ge) 外部電阻器。電路中的跳變點可用下式4和5計算出來，至於(yu) 滯後輸入電壓和電流範圍以及參考負載電流數值則可從(cong) 數據表中找到，但這些數值可能會(hui) 限製了真正的電阻值範圍和比率。
結語
如今，比較器是業(ye) 界應用極其廣泛的標準元件。比較器具有外部滯後、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項功能和特性。此外，對比較器的傳(chuan) 播延遲、消散、觸發率或精準失調等關(guan) 鍵參數可以滿足一係列高性能應用的需求，例如電平平移、電源監測、時鍾/數據緩衝(chong) 以及接收和觸發等。雖然運算放大器也可用作比較器，但在應用時需要加倍小心才能確保器件的正常工作。
