比较器

比较设备

对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定。

原理

可以将比较器当作一个1位模/数转换器（ADC）。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。

性能指标

滞回电压：比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个：一个用于检测上升电压，一个用于检测下降电压，电压门限（VTRIP）之差等于滞回电压（VHYST），滞回比较器的失调电压是TRIP 和VTRIP-的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对失调电压的影响。

偏置电流：理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流（Ibias）定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。

超电源摆幅：为进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出250mV，因而达到超电源摆幅（Beyond-theRail）标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。

漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态（零电平或电源电压），且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。

输出延迟时间：包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，对于高速比较器，如MAX961，其延迟时间的典型值可对达到4.5ns，上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。

分类

过零电压比较器：典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图。

电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器。

窗口比较器：电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。

滞回比较器：从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。当输入电压vI从零逐渐增大，且VI小于VT时，比较器输出为正饱和电压，VT称为上限阀值（触发）电平。当输入电压VI>VT’时，比较器输出为负饱和电压，VT’称为下限阀值（触发）电平。

芯片

选用原则

一只比较器的工作原理简单明了。它有一个正脚和一个负脚。当正脚上的电压较高时，比较器的输出就“断言”（或驱动）一个信号。采用集电极开路输出时，比较器的输出脚是一只晶体管的集电极或FET的漏极。采用推挽输出时，比较器有一个“图腾柱”输出，即一个互补的NPN/PNP级，像运算放大器中的一样。集电极开路输出用于负载与比较器各自使用不同电源的情况。这种方案能够实现12V的螺线管，虽然比较器可能只工作在3.3V。集电极开路输出的另一个作用是当输出关断时，尽量减小静态电流。在图腾柱级中， N型输出晶体管中没有基极电流流过，而有些基极电流则总是流过两个输出晶体管中的一个。

不过，集电极开路输出也有一些缺点。例如，它们需要外接上拉电阻。这些电阻必须在高阻周期内完成上拉任务，这样当输出低于关断时，比较器可以更快地开关，并且上拉电阻使输出为高。因此，当你需要对称波形时，就不适合用集电极开路输出，如时钟恢复电路。如果你的电路不需要电平转换，就应选择推挽输出，如采用ALD2321APC，它可以提供24mA的输出驱动能力，静态电流为90µA。

高速比较器也可能有一个锁存输出，这样就可以将输出保持在已知状态，从而满足其后方数字输入对设置与保持时间的要求。一旦数字部分读到了比较器的输出，就可以释放锁存脚，让输出跟踪输入。

高速比较器也可能使用-5V至0V的ECL（射极耦合逻辑）电平。 PECL（正射极耦合逻辑）输出有相同的电压摆幅，但工作在0V至5V。另外还有RSPECL（降幅PECL）输出。一些高速比较器的两个输出脚采用LVDS（低压差分信令）输出，围绕一个1.2V的共模电压以一种互补方式转换300mV。你可以将这些输出直接送给FPGA（现场可编程门阵列）和其它数字电路的LVDS输入脚。

一旦建立了输出类型，下一个要考虑的问题就是速度。制造商通常将一款比较器描述为低功耗或高速型。他们一般用CMOS工艺建立低功耗器件，而用双极器件建立高速器件，这表示出了基本的折中：大功耗的高速、精确器件，以及低功耗的低速器件。另一个折中是增益与高速。低功耗比较器可能要70µs的转换时间，消耗供电电流不到1µA。高速比较器的响应时间为150ps。有些器件能够克服速度与功耗的折中。当以最高速率转换时，比较器消耗的功率要比其静态功耗高得多。在静态状态，电流低。当将比较器工作在较高速度时，必须能够为电容充电，充电需要电流。在动态模式下，电流随工作速度的提高而增加。功耗中的另一个因素是芯片的负载。对一个开关电流来说，电容也会成为一个负载，必须考虑到负载中的容性和阻性成份。很多器件有关断脚，可将耗电降低到1µA以下。

与所有模拟情况一样，只有在严格定义的条件下，声明的传播延迟才有意义，因为驱动输入脚的程度直接影响着传播延迟。过驱越大，器件就越快。“频散”（ dispersion）是一个器件在各种不同过驱程度下的传播延迟值区间。过驱与速度之间的关系是一些工程师不愿意将比较器速度看作转换速率函数的一个原因。首先，你必须定义量化为一个有效转变的输出电平；通常最大输出电平为10%～90%。转换速率亦代表对过驱的一种要求，即让传播延迟尽可能短。

在选择比较器时考虑的另外一个参数是噪声。然而，制造商经常省略比较器的噪声规格，而代之以用随机抖动来测量噪声。除了通过器件增益的噪声信号以外，输入的孔径误差以及输出的上升与下降时间也可以影响抖动。一个时钟驱动器件不过是一个针对噪声优化的较低增益比较器。设计者可以在一个CMOS器件中采用较大的输入晶体管，降低闪烁噪声，但这种方法增加了输入电容。

一旦选定了输出类型，并有了适当的速度与功耗要求，下一个考虑的问题应是比较器的额定电压。与电源区间有关的一个因素是比较器输入脚的允许共模电压。很多工程师都要使用美国国家半导体公司的LM339定时器。不过，其制造商从未准备将该器件用于接近最高电压轨的输入上。有些器件允许你将输出拉至高于或低于电源的电压区间，但对其它器件，当你将输入脚拉至低于负电源轨时，其输出会反相。有轨至轨输入级的比较器（扩展了输入共模模式的范围。这些器件有一个双输入级，采用与P型输入级并联的N型晶体管或FET。 P型输入级的输入电压工作在接近地或负电压轨处，而N型输入级则当输入摆至正电压轨时工作。 IC设计者一般会使器件在第1级或低于正电压轨2V之间作切换。有些结构能将偏移电压降至最低，当扫过一个轨至轨器件。

比较器的另外一个重要规格是输入偏移电流，即当器件工作时，流进或流出输入管脚的电流量。CMOS产品有低的偏移电流，代表输入脚ESD（静电放电）结构中泄漏的失配。温度每上升10°C，输入偏移电流加倍。高速比较器的偏移电流可以很显著，但一般不会成为问题，因为一般会用低阻电路驱动这些高速比较器。双极器件的输入偏移电流取决于两个输入之间的关系。在比较器中，一个差分输入对的基极电压60mV差值会在该对的集电极电流和输入偏移电流中得到一个高10倍的差值。因此，可以让一个引脚拉出或吸入两倍于额定的输入偏移电流，而另外的引脚则几乎没有输入偏移电流，这取决于哪个引脚有更高的电压。

应用

利用四个比较器构成一个电流检测电路，可用于指示输入电流的四种状态，电阻“Shunt”用于将输入电流转换为电压信号，R1和R2用于设置运算放大器的增益，并为比较器提供所需要的基准电压。R4～R7可用来设置不同数字输出状态所对应的检测门限。

过零比较器

过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测电压Vu。一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。

用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。

弛张振荡器

比较器可以用于构造弛张振荡器，其中同时应用到了正反馈和负反馈。正反馈是一个施密特触发器，这样组成了一个多谐振荡器。而RC电路在其中增加了负反馈，导致电路开始自发振荡，使整个电路从锁存器变成了弛张振荡器。

电平转换使用漏极开路的比较器（例如LM393、 TLV3011和MAX9028）可以构造电平转换器，用于改变信号电压。选择适当的上拉电压可以灵活地选择转换的电压值。例如使用MAX972比较器可以把±5V的信号转换成3V信号。

模数转换器

比较器的作用是比较一个输入信号是否高于某一给定值，因此可以将输入的模拟信号转成二进制的数字信号。包括ΔΣ调制在内的几乎所有的数模转换器都含有比较器，用于对输入的模拟信号进行量化。

电压比较器

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”+”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”+”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平。

电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。

运算放大器。

功能

比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。从这一角度来看，也可以将比较器当作一个1位模/数转换器(ADC)。

比较器与运算放大器区别

窗口比较器电路

运算放大器在不加负反馈时，从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且，在这种情况下，运算放大器的响应时间比比较器慢许多，而且也缺少一些特殊功能，如：滞回、内部基准等。比较器通常不能用作运算放大器，比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性受到一定限制，运算放大器正是利用了频响修正这一优势而成为灵活多用的器件。另外，许多比较器还带有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使其不能当作运算放大器使用。

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