运算放大器和比较器的区别:为什么你应该选择比较器而不是运算放大器?

2021年7月16日 - 0评论

有许多原因说明你不应该使用运算放大器作为比较器，这也是为什么致力于比较器电路存在。在本文中，我们将仔细研究这些原因，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于高增益家族差动放大器并具有许多共同的特性-差分输入和单端输出，该单端输出对输入电压的差异产生电压响应。甚至这两个部分的示意图符号也是相同的，如下图所示。

运算放大器VS比较器符号

图1运算放大器和比较器示意图符号

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包中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会闲置，而不是使用比较器在电路中的其他地方，可以使用其中一个运算放大器。在大多数情况下，这是好的，但如果不能清楚地理解比较器和运算放大器的操作方式的差异，它很快就会导致问题。

看看内部运算放大器和比较器

理解的第一步运算放大器和比较器之间的区别就是看一下内部示意图。这里是内部结构图LM358运放和LM393比较器所示。由于这两个部分都很受欢迎和容易获得，它们也被用于实际演示。

LM358和LM393内部原理图

图2 lm358和lm393的内部结构

乍一看，输入级看起来或多或少是一样的(省去了比较器上额外的二极管)，唯一的区别是输出级。

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——其中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家族接口，每一个都有不同的高和低阈值。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上，当任何一个比较器的输出较低时，整体输出也较低。这在故障检测和窗口比较器中非常有用，因为多个比较器的输出是绑定在一起的。这在互补输出阶段是不可能的。另一个幽默的轶事是，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，运放的输出更为复杂，因为它被设计成以非常低的失真来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，因此不能像比较器那样在一个轨道上饱和工作。为了保持输出饱和，运放可能会比正常情况下吸收更多的电流，从而导致加热。驱动输出晶体管出由于在基片中储存电荷，饱和时也会占用更多的时间。

然而，比较器输出被设计成干净地饱和到导轨，有时甚至具有抗饱和电路。这听起来可能有点违反直觉，但对于具有相当大的基极-发射极电容的功率晶体管来说，摆脱饱和状态可能需要一些时间。由于这个原因，一些比较器的电路使其输出晶体管接近饱和，所以它们不需要时间切换到另一个轨道。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。这是补偿电容它能在高频下输出运算放大器的增益。这是一个必要的增加到一个运放，在这里直流稳定性是重要的-不应该有振荡的输出。这种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速率。这意味着运放要花有限的时间才能在供电轨之间移动输出。这(结合饱和问题)会导致作为比较器的运算放大器的响应时间出现明显的延迟。

另一方面，比较器没有这种限制。任何微小的输入差异都会导致输出剧烈且快速地摆动到供应轨道上，这在数字系统中是一件好事，因为这种速度非常受重视。

改变输入引脚:

第三个不太明显的区别是运放和比较器电路上的反相和非反相输入是相反的(相对于作为输入晶体管主动负载的电流镜而言)。这是因为比较器在开环结构(或正反馈)中被设计为稳定的，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

运算放大器和比较器内部电路的差异代表了“微观的”差异。还有其他的“宏观”差异，表现在每一种设备的额定输入电压范围。

这与运算放大器和比较器设计用于工作的反馈类型有很大关系。

对于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，输出必须快速响应，通过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放试图通过改变输出来保持两个输入相同，并希望外部网络使输入差分为零。

由此可见，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.较老的运算放大器有一个问题叫做反相，驱动输入超过共模范围将导致输出相位反转——基本上是输出相位反转。

2.输入偏置电流和输入偏置电流在输入电压范围内不是恒定的。这是一个明显的问题，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，将电流分流到任一供电轨。有些运算放大器甚至在两个放大器之间有一对反平行二极管输入,任何较大的差异立即被视为输入阻抗的下降。这可能是问题，也可能不是问题，这取决于输入。当在线性模式下使用时，这些二极管不存在问题，因为负反馈试图保持输入差分为零。但当使用具有大输入电压波动的开环时，这些二极管可能会进入导通状态，降低输入阻抗，导致过度加热，最终破坏芯片。