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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

您不应该使用运算放大器作为比较器,这也是奉献的原因比较器电路存在。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与比较器的区别通过将它们互相进行比较。

使用运算放大器作为比较器的原因

一般来说,OP-AMP和比较器来自同一个高增益家庭差动放大器并且有许多共同的特性——差分输入和单端输出,它们根据输入电压的差异产生电压。甚至两个部件的示意图符号也相同,如下图所示。

OP-AMP VS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,运算放大器的封装有两个甚至四个运算放大器。在这种情况下,一个或多个运算放大器可能未使用,而不是在电路中的其他地方使用比较器,可以使用其中一个运算放大器。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工作方式的差异,很快就会导致问题。

看看运算放大器和比较器的内部

理解的第一步OP-AMPS和比较器之间的差异就是看一下内部原理图。这里是它的内部结构图LM358运算放大器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的内部示意图

乍一看,输入阶段看起来或多或少相同(在比较器上保存额外二极管),唯一的差异是输出阶段。

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各样的逻辑系列接口,每个逻辑系列具有不同的高阈值和低阈值。开路集电极输出可以是更复杂的电平转换电路的一部分,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算放大器–输出级的设计不是为了在供电轨之间的电压下工作。

然而,运算放大器的输出更为复杂,因为它被设计成以非常低的失真精确地复制模拟信号。

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。驱动输出晶体管出来由于底座中的存储电荷,饱和的存储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“在运算放大器电路中。这是补偿电容器这将在高频时降低运算放大器的增益。这是对运算放大器的必要补充,其中直流稳定性很重要–输出上不应有振荡。这个电容也是运算放大器相对“慢”的主要原因——补偿电容限制了输出转换率。这意味着运算放大器在电源导轨之间移动其输出需要有限的时间。这(加上饱和问题)可能会导致用作比较器的运算放大器的响应时间显著延迟。

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。

颠倒的输入引脚:

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和输出限制

OP-AMPS和比较器的内部电路的差异代表了“微观”差异。还有其他“宏观”差异,以输入电压范围的形式表现出每种类型的设备被额定处理。

这与运放和比较器设计使用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。

在电源轨附近的电压下尤其如此,几乎所有运算放大器的输入(和输出)都在电源轨几伏或几伏以上的范围内工作(存在轨到轨输入和输出运算放大器,但它们都有自己的问题),超出这些限值的任何偏移通常会导致不必要的行为:

1.较旧的运算放大器类型遇到了一个名为相位反转’,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并不恒定。这是一个体现本身的问题,特别是在RRIO OP-AMPS中。输入过电压有时可以激活分流电流的保护钳二极管。一些OP-AMPS甚至可以在两者上有一对反平行二极管输入,任何较大的差异都会立即被视为输入阻抗的降低。这可能是问题,也可能不是问题,取决于输入。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差为零。但是,当使用具有较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,导致过热并最终损坏芯片。

LM358 OP-AMP VS LM393比较器 - 一个实用的例子

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,LM358运算放大器被设置为比较器,LM393也被设置为比较器。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,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,反相输入保持在2.5V,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。

清楚地看出,OP-AMP输出显示之前描述的所有特性:响应时间慢,上升和下降沿是重速限制的,输出电压没有达到正电源。另一方面,黄色比较器输出几乎是快速输入的精确复制品。

虽然运算放大器的响应延迟接近5us,上升时间为15us,但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 OP-AMP比较器定时

比较器计时图

图5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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