運算放大器和比較器基礎知識

快速瀏覽任何主要集成電路（IC）供應商的產(chǎn)品組合，都會發(fā)現(xiàn)大量各種放大器IC。這包括眾所周知的運算放大器（op amp）和其他更專業(yè)的放大器，如儀器儀表、電流檢測、差動和跨阻放大器，僅舉幾例。即使是看似基本的比較器IC，也經(jīng)常被歸入放大器的范疇。

雖然這些不同的放大器類型之間存在很多功能重疊，但每種放大器都旨在在各種功能或用例中表現(xiàn)出色。本文將仔細研究兩種常見的IC（運算放大器和比較器），并探討使用運算放大器作為比較器可能存在的陷阱。

運算放大器和比較器概述

讓我們從這兩種類型的IC開始。乍一看，它們非常相似;甚至運算放大器和比較器的電路符號也是相同的——一個具有正負輸入和單輸出的三角形。但這兩種IC的實際設計和預期用途卻大不相同。

圖1：基本運算放大器和比較器電路符號

運算放大器設計為負反饋，這意味著放大器的輸出連接到反相（負）輸入。該負反饋環(huán)路的構建方式將決定放大器的工作（因此得名）。示例包括創(chuàng)建低通或高通濾波器、放大、積分器、電壓跟隨器等。由于這種負反饋，運算放大器的輸出級設計為在線性區(qū)域工作，簡單地說，即放大器的電源軌之間。

另一方面，比較器的輸出級專門設計用于飽和工作，這意味著輸出電壓始終接近一個電源軌或另一個電源軌，而不是介于兩者之間。比較器中沒有負反饋和輸出級設計是運算放大器和比較器之間的巨大差異。

圖2：飽和與線性工作區(qū)域

使用運算放大器作為比較器

一般來說，如果給定的設計需要比較器，最好只使用比較器。這種設備是專門為該功能設計和優(yōu)化的，因此將提供最佳結果。但可能會出現(xiàn)將運算放大器用于比較器功能很有吸引力的情況。例如，如果給定設計包含一個未使用的運算放大器，并且需要一個比較器，那么將該運算放大器用作比較器將節(jié)省時間、電路板面積和成本。考慮到這一點，讓我們探討一下使用運算放大器作為比較器時可能存在的一些陷阱。

我們首先考慮運算放大器的輸入級。并非所有運算放大器都提供軌到軌輸入級，因此必須注意確保在給定的應用中不超過運算放大器的輸入共模范圍。與輸入級有關的另一個可能問題是運算放大器的差分輸入范圍。一些運算放大器具有背靠背二極管，可防止反相和同相輸入之間的距離超過一個二極管壓降。這在雙極性運算放大器和一些更高電壓的運算放大器中更為常見。運算放大器數(shù)據(jù)手冊內(nèi)的絕對最大額定值應指示差分輸入范圍內(nèi)的任何限制。

在評估運算放大器能否在應用中作為比較器正常工作時，還有幾個關于運算放大器輸出級的考慮因素。當用作比較器時，從一個電源軌到另一個電源軌的輸出轉換速度將由放大器的壓擺率決定。必須注意確保所得比較器的速度對于給定的應用來說足夠快。還應該注意的是，在某些情況下，這可以被認為是一種優(yōu)勢;壓擺率將限制邊沿速率，減少電磁干擾相關問題。如前所述，運算放大器設計為在線性工作區(qū)域內(nèi)工作，即在電源軌之間。當放大器的輸出被強制到電源軌時，放大器輸出恢復時間可能很長，如果有的話。最后，運算放大器的輸出級設計為始終供應或吸收電流，因此無法創(chuàng)建具有漏極開路輸出的比較器功能。鑒于比較器本質上具有模擬輸入和數(shù)字輸出（由輸入決定的兩種狀態(tài)之一），比較器通常用于橋接不同的電路特性，例如將信號轉換為不同的電壓范圍。因此，使用具有漏極開路輸出的比較器是很常見的。

在評估是否使用運算放大器作為比較器時，另一個考慮因素是遲滯。具有遲滯的比較器利用“上限”和“下限”閾值，在該閾值中，輸入信號必須高于或低于這些各自的閾值，然后輸出才會轉換。這對于電噪聲或緩慢移動的輸入信號很有用。大多數(shù)比較器IC提供內(nèi)置遲滯，有些甚至提供可調遲滯。將運算放大器配置為開環(huán)工作的比較器（意味著從輸出到輸入沒有反饋）不會產(chǎn)生遲滯。但是，通過使用正反饋（將部分輸出信號反饋回運算放大器的同相輸入），可以為配置為比較器的運算放大器增加遲滯。根據(jù)輸入信號的特性，這可能不是必需的，例如，如果它是不嘈雜的快速信號。

圖 3：遲滯對輸出的影響

結論

一般而言，運算放大器無法提供與專用比較器IC一樣好的比較器解決方案，在某些情況下，可能根本無法正常工作。在某些情況下，利用現(xiàn)有的運算放大器作為比較器以節(jié)省時間、成本和電路板空間很有吸引力。在這些情況下，必須注意確保運算放大器實際上將按預期作為比較器工作。必須注意特定的運算放大器輸入結構，并注意配置為比較器時的輸出級限制。

審核編輯：郭婷