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15.4 比较器应用4

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室 视频,本节介绍比较器 应用,这是第四部分。 在本视频中, 我们将讨论 集成到比较器 中的额外几项功能, 它们有助于简化您的设计。 我们将继续讨论 如何将运算放大器 用作比较器,以及 这么做的优点和缺点。 我们将在最后指出 使用比较器构建的 一些有用的 TI 高精度 设计,从而结束本有关 比较器的视频系列。 集成到某些 比较器中的 其他功能的一个 示例是 TLV3011 和 TLV3012 等器件中 包含的内部电压基准。 当您的应用 要求您将一个 输入上的电压 与固定的基准 电压电平进行 比较时,这些 比较器中的 内部1.242 伏 精密电压基准 可能会非常有用。 在此处所示的 示例中,使用 分压器将基准 电压调节至 1 伏。 右侧的公式 显示了如何 计算分压 电阻器的值, 以实现您 需要的有效 Vref。 请注意,使用 内部基准电压 来生成 Vref 通常比使用 电源要精确得多。 TLV2302 和 TLV2702 微功耗比较器 在同一个封装中包含 一个比较器和一个轨至轨 输入和输出运算放大器。 TLV2302 是一款 漏极开路比较器, 而 TLV2702 是一款 推挽输出比较器。 现在,请注意最好 避免尝试将运算 放大器用作比较器, 因为如果您的应用 需要比较器和运算 放大器并且最大程度地 缩减印刷 电路板的 布板空间至关重要, 这些器件是很方便的。 另请注意,这些 器件具有 2.5 伏 至 16 伏的宽 电源电压范围, 最高可接受比 正电源高 5 伏的 输入共模电压, 并且包含高达 18 伏的电池 反向保护功能。 TL3016 超快 推挽比较器 具有丰富的 附加功能。 首先,它提供 互补输出, 这意味着还提供 典型比较器输出的 反相版本。 这在需要 互补信号的 应用中 非常有用。 该比较器还具有 锁存使能或 LE 功能。 当 LE 引脚在 0 伏和 0.8 伏 之间偏置时,TL3016 将作为比较器运行。 不过,当 LE 引脚 偏置为 2 伏或更高时, 输出会锁存并保持其当前 状态,直到取消锁存。 当锁存有效时 输出不会变化, 即使比较器的输入 发生变化也是如此。 右侧的仿真 波形显示了 该器件的 运行情况。 在 0 纳秒至 50 纳秒的 时间范围内, 锁存功能禁用, 比较器正常运行。 您还可以在该 区域中观察到 互补输出 Q 和 QB。 在等于 50 纳秒的 时间,锁存引脚 被设置为高电平, 锁存功能启用。 从这一点开始, 输出状态保持 不变,即使输入信号 继续变化也是如此。 在讨论比较器时, 一个常见的主题 是将运算放大器 用作比较器。 这么做既有优点, 也有缺点,我们 现在要对此 进行讨论。 让我们首先 讨论优点。 就工程师希望将 运算放大器用作 比较器而言, 其最常见原因 或许是可能节省 组件成本和缩小 印刷电路板面积。 如果已经在系统的 其他位置使用了 双封装或四封装 运算放大器并且 某些通道仍可用,那么 为比较器功能分配任何 剩余的通道可能更高效。 此外,大多数放大器 可提供比比较器 更佳的直流精度。 例如,正如我们在 该视频系列的 第一部分中 讨论过的, 较低的偏移电压可以 改善比较器跳闸点的精度。 最后,运算放大器 输出的变化率 受气压摆率的限制, 这在比较器的快速 瞬变产生的 电磁干扰或 EMI 是个问题的时候 可能是有利的。 现在让我们来看看 将运算放大器用作 比较器的缺点。 首先,大多数 运算放大器的 功耗会高于 等效的比较器。 此外,输入钳位 二极管的存在 可能会限制允许的 差分输入电压, 具体取决于 运算放大器拓扑。 在允许的输入 共模电压范围 之外运行时,许多非 轨至轨运算放大器 会出现问题。 或许最重要的是, 运算放大器从饱和 状态恢复的 时间无法确定, 其范围为 几百纳秒 至毫秒级,从而 严重影响电路的 时序行为。 此外,运算 放大器的 上升和下降 时间受压摆率的 限制,通常比 比较器慢很多。 最后,不存在 与漏极开路或 集电极开路比较器 等效的运算放大器。 所有运算放大器 都会主动拉取或 保持电流,以在负载上 创建所需的电压。 一般而言,运算放大器 不在饱和状态下运行, 而在饱和 状态下运行 正是比较器的 设计目标, 也是其优势所在。 将运算放大器 用作比较器的 最大挑战之一是处理 运算放大器的差分 输入电压限制。 许多运算放大器, 尤其是双极输入 运算放大器,在输入 引脚 N+ 和 N- 上 采用了反并联输入 二极管,也称为背对背 输入二极管。 这些二极管的 作用是在存在 大差分输入电压时 保护输入晶体管的 基极-发射极结 不发生反向 击穿。 发生击穿后, 晶体管的性能 会严重降低,从而 导致运算放大器的 偏移电压、输入 偏置电流和噪声 特性永久改变。 应避免这种 永久性能下降, 因此输入钳位将 差分输入电压限制 在安全的电平。 如果超过限值, 那么钳位二极管 之一会发生 正向偏置, 将电流导向输入 引脚并偏离输入 晶体管。 常见的具有输入钳位的 TI 双极运算放大器包括 OPA209、OPA211、 OPA227 和 OPA1611 等。 由于比较器通常会 向其输入端施加较大的 差分电压,因此 双极运算放大器 通常不适合 用作比较器。 此处提供了一些 有关与双极以外的 半导体工艺 类型相关的 输入钳位是否 采用的一般准则。 大多数高电压 CMOS 放大器, 如 OPA171 和 OPA172, 具有输入钳位。 大多数低电压 CMOS 放大器, 如 OPA325 和 OPA350, 不具有输入钳位。 JFET 放大器,包括 OPA140 和 OPA1641, 不具有钳位二极管。 最后,斩波放大器 具有寄生输入二极管, 这些二极管的行为与 典型的输入钳位结构相同。 相关的示例包括 OPA333 和 OPA188。 当然,所有规则 都存在例外情况, 因此只应将这些 指南用作起点。 说到例外情况, 让我来为您展示 一些不具有 反并联输入 二极管的双极 放大器设计示例, 这些设计可以承受 高差分输入电压。 这些双极 放大器是 使用横向 PNP 晶体管构建的, 这些晶体管具有大约 18 伏的 反向击穿电压 -- 该值高于 典型的 NPN 输入晶体管, 其反向 击穿电压 为 2 伏至 7 伏。 使用这些 设计的器件 型号包括著名的 UA741 以及 LM358、OPA234、OPA244 和 OPA2251 等。 此处是该规则的 其他一些例外情况。 尽管大多数 高电压 CMOS 放大器具有输入 钳位,但我们某些 最新的该类型放大器 ,如 OPA192 和 OPA197, 采用了不需要 这些钳位、已获 专利的前端设计。 因此,这些运算 放大器也可以 配置为具有 高达电源电压的 差分输入 范围的高性能 比较器。 这两款产品都具有 非常适合比较器 应用的规格, 并具有轨至轨 输入和输出、极低的偏移、 高带宽和压摆率以及 仅 200 纳秒的快速 过载恢复时间。 一般而言,您可以 通过阅读放大器 数据表中的绝对 最大值表来确定某个 运算放大器是否 可以承受较大的 差分输入电压。 您应该在考虑 将某个运算 放大器用作 比较器之前 知晓差分输入限制。 已专门为比较器 应用创建了多个 TI 高精度设计。 TIPD106 详细说明了 如何在 2 千赫至 32 兆赫的带宽 范围内将比较器 用于交流耦合应用。 TIPD130 说明了 如何将双极 高电压输入连接到 单电源、低电压比较器。 TIPD141 说明了如何 针对迟滞来配置 放大器,我们在该视频 系列的第二部分中 讨论了该主题。 最后,TIPD178 详细 说明了窗口 比较器的设计 流程,该幻灯片的 右侧显示了此 比较器的功能。 我们在这里稍微更 详细地展示了 TIPD130, 该设为将低电压、 单电源比较器 连接到高电压、 双极输入提供了 一种方法。 在本例中,我们 使用了术语“双极” 来表示具有正摆幅 和负摆幅的信号。 双极输入信号 是峰值为正/负 15 伏的正弦波, 如果将其直接 连接到正 3.3 伏 单电源比较器, 则会极大地 超出器件的 输入共模范围和 绝对最大输入范围。 通过使用由三个电阻器 构成的分压器网络, 输入信号会 变换为峰值 为正/负 1.24 伏的正弦波, 以正 1.24 伏直流 基准电平为中心。 现在,可以比较 两个相位不同的 输入正弦波, TLV3201 设置相应的 输出电平 0 伏或 2.3 伏。 根据该原理图, 您是否能够分辨 TLV3201 是漏极开路或 集电极开路比较器 还是推挽比较器? 由于比较器输入端 没有上拉电阻器, 因此它肯定是 主动将输出引脚 驱动至高电平或低 电平的推挽输出器件。 本有关比较器的 视频系列到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以 检查您对本视频 232

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室

视频,本节介绍比较器 应用,这是第四部分。

在本视频中, 我们将讨论

集成到比较器 中的额外几项功能,

它们有助于简化您的设计。

我们将继续讨论 如何将运算放大器

用作比较器,以及 这么做的优点和缺点。

我们将在最后指出 使用比较器构建的

一些有用的 TI 高精度 设计,从而结束本有关

比较器的视频系列。

集成到某些 比较器中的

其他功能的一个 示例是 TLV3011 和

TLV3012 等器件中 包含的内部电压基准。

当您的应用 要求您将一个

输入上的电压 与固定的基准

电压电平进行 比较时,这些

比较器中的 内部1.242 伏

精密电压基准 可能会非常有用。

在此处所示的 示例中,使用

分压器将基准 电压调节至 1 伏。

右侧的公式 显示了如何

计算分压 电阻器的值,

以实现您 需要的有效 Vref。

请注意,使用 内部基准电压

来生成 Vref 通常比使用

电源要精确得多。

TLV2302 和 TLV2702 微功耗比较器

在同一个封装中包含 一个比较器和一个轨至轨

输入和输出运算放大器。

TLV2302 是一款 漏极开路比较器,

而 TLV2702 是一款 推挽输出比较器。

现在,请注意最好 避免尝试将运算

放大器用作比较器, 因为如果您的应用

需要比较器和运算 放大器并且最大程度地

缩减印刷 电路板的

布板空间至关重要, 这些器件是很方便的。

另请注意,这些 器件具有 2.5 伏

至 16 伏的宽 电源电压范围,

最高可接受比 正电源高 5 伏的

输入共模电压, 并且包含高达

18 伏的电池 反向保护功能。

TL3016 超快 推挽比较器

具有丰富的 附加功能。

首先,它提供 互补输出,

这意味着还提供 典型比较器输出的

反相版本。

这在需要 互补信号的

应用中 非常有用。

该比较器还具有 锁存使能或 LE 功能。

当 LE 引脚在 0 伏和 0.8 伏

之间偏置时,TL3016 将作为比较器运行。

不过,当 LE 引脚 偏置为 2 伏或更高时,

输出会锁存并保持其当前 状态,直到取消锁存。

当锁存有效时 输出不会变化,

即使比较器的输入 发生变化也是如此。

右侧的仿真 波形显示了

该器件的 运行情况。

在 0 纳秒至 50 纳秒的

时间范围内, 锁存功能禁用,

比较器正常运行。

您还可以在该 区域中观察到

互补输出 Q 和 QB。

在等于 50 纳秒的 时间,锁存引脚

被设置为高电平, 锁存功能启用。

从这一点开始, 输出状态保持

不变,即使输入信号 继续变化也是如此。

在讨论比较器时, 一个常见的主题

是将运算放大器 用作比较器。

这么做既有优点, 也有缺点,我们

现在要对此 进行讨论。

让我们首先 讨论优点。

就工程师希望将 运算放大器用作

比较器而言, 其最常见原因

或许是可能节省 组件成本和缩小

印刷电路板面积。

如果已经在系统的 其他位置使用了

双封装或四封装 运算放大器并且

某些通道仍可用,那么 为比较器功能分配任何

剩余的通道可能更高效。

此外,大多数放大器 可提供比比较器

更佳的直流精度。

例如,正如我们在 该视频系列的

第一部分中 讨论过的,

较低的偏移电压可以 改善比较器跳闸点的精度。

最后,运算放大器 输出的变化率

受气压摆率的限制, 这在比较器的快速

瞬变产生的 电磁干扰或 EMI

是个问题的时候 可能是有利的。

现在让我们来看看 将运算放大器用作

比较器的缺点。

首先,大多数 运算放大器的

功耗会高于 等效的比较器。

此外,输入钳位 二极管的存在

可能会限制允许的 差分输入电压,

具体取决于 运算放大器拓扑。

在允许的输入 共模电压范围

之外运行时,许多非 轨至轨运算放大器

会出现问题。

或许最重要的是, 运算放大器从饱和

状态恢复的 时间无法确定,

其范围为 几百纳秒

至毫秒级,从而 严重影响电路的

时序行为。

此外,运算 放大器的

上升和下降 时间受压摆率的

限制,通常比 比较器慢很多。

最后,不存在 与漏极开路或

集电极开路比较器 等效的运算放大器。

所有运算放大器 都会主动拉取或

保持电流,以在负载上 创建所需的电压。

一般而言,运算放大器 不在饱和状态下运行,

而在饱和 状态下运行

正是比较器的 设计目标,

也是其优势所在。

将运算放大器 用作比较器的

最大挑战之一是处理 运算放大器的差分

输入电压限制。

许多运算放大器, 尤其是双极输入

运算放大器,在输入 引脚 N+ 和 N- 上

采用了反并联输入 二极管,也称为背对背

输入二极管。

这些二极管的 作用是在存在

大差分输入电压时 保护输入晶体管的

基极-发射极结 不发生反向

击穿。

发生击穿后, 晶体管的性能

会严重降低,从而 导致运算放大器的

偏移电压、输入 偏置电流和噪声

特性永久改变。

应避免这种 永久性能下降,

因此输入钳位将 差分输入电压限制

在安全的电平。

如果超过限值, 那么钳位二极管

之一会发生 正向偏置,

将电流导向输入 引脚并偏离输入

晶体管。

常见的具有输入钳位的 TI 双极运算放大器包括

OPA209、OPA211、 OPA227 和 OPA1611 等。

由于比较器通常会 向其输入端施加较大的

差分电压,因此 双极运算放大器

通常不适合 用作比较器。

此处提供了一些 有关与双极以外的

半导体工艺 类型相关的

输入钳位是否 采用的一般准则。

大多数高电压 CMOS 放大器,

如 OPA171 和 OPA172, 具有输入钳位。

大多数低电压 CMOS 放大器,

如 OPA325 和 OPA350, 不具有输入钳位。

JFET 放大器,包括 OPA140 和 OPA1641,

不具有钳位二极管。

最后,斩波放大器 具有寄生输入二极管,

这些二极管的行为与 典型的输入钳位结构相同。

相关的示例包括 OPA333 和 OPA188。

当然,所有规则 都存在例外情况,

因此只应将这些 指南用作起点。

说到例外情况, 让我来为您展示

一些不具有 反并联输入

二极管的双极 放大器设计示例,

这些设计可以承受 高差分输入电压。

这些双极 放大器是

使用横向 PNP 晶体管构建的, 这些晶体管具有大约 18 伏的

反向击穿电压 --

该值高于 典型的 NPN

输入晶体管, 其反向

击穿电压 为 2 伏至 7 伏。

使用这些 设计的器件

型号包括著名的 UA741 以及 LM358、OPA234、OPA244 和

OPA2251 等。

此处是该规则的 其他一些例外情况。

尽管大多数 高电压 CMOS

放大器具有输入 钳位,但我们某些

最新的该类型放大器 ,如 OPA192 和 OPA197,

采用了不需要 这些钳位、已获

专利的前端设计。

因此,这些运算 放大器也可以

配置为具有 高达电源电压的

差分输入 范围的高性能

比较器。

这两款产品都具有 非常适合比较器

应用的规格, 并具有轨至轨

输入和输出、极低的偏移、 高带宽和压摆率以及

仅 200 纳秒的快速 过载恢复时间。

一般而言,您可以 通过阅读放大器

数据表中的绝对 最大值表来确定某个

运算放大器是否 可以承受较大的

差分输入电压。

您应该在考虑 将某个运算

放大器用作 比较器之前

知晓差分输入限制。

已专门为比较器 应用创建了多个

TI 高精度设计。

TIPD106 详细说明了 如何在 2 千赫至

32 兆赫的带宽 范围内将比较器

用于交流耦合应用。

TIPD130 说明了 如何将双极

高电压输入连接到 单电源、低电压比较器。

TIPD141 说明了如何 针对迟滞来配置

放大器,我们在该视频 系列的第二部分中

讨论了该主题。

最后,TIPD178 详细 说明了窗口

比较器的设计 流程,该幻灯片的

右侧显示了此 比较器的功能。

我们在这里稍微更 详细地展示了 TIPD130,

该设为将低电压、 单电源比较器

连接到高电压、 双极输入提供了

一种方法。

在本例中,我们 使用了术语“双极”

来表示具有正摆幅 和负摆幅的信号。

双极输入信号 是峰值为正/负

15 伏的正弦波, 如果将其直接

连接到正 3.3 伏 单电源比较器,

则会极大地 超出器件的

输入共模范围和 绝对最大输入范围。

通过使用由三个电阻器 构成的分压器网络,

输入信号会 变换为峰值

为正/负 1.24 伏的正弦波,

以正 1.24 伏直流 基准电平为中心。

现在,可以比较 两个相位不同的

输入正弦波, TLV3201 设置相应的

输出电平 0 伏或 2.3 伏。

根据该原理图, 您是否能够分辨

TLV3201 是漏极开路或 集电极开路比较器

还是推挽比较器?

由于比较器输入端 没有上拉电阻器,

因此它肯定是 主动将输出引脚

驱动至高电平或低 电平的推挽输出器件。

本有关比较器的 视频系列到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频 232

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15.4 比较器应用4

所属课程:TI 高精度实验室系列课程 - 放大器 发布时间:2019.05.23 视频集数:56 本节视频时长:00:11:31

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