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将运算放大器用作比较器

2021-03-05 Bob Witte 阅读:
在一些经典运算放大器电路中运用负反馈,通常可以使运放工作在线性区域内。但是,也可以将运放用作比较器,从而使其以非线性方式工作。由于其输入受到硬驱动,因此其输出电压会对电源轨产生猛烈的冲击。因此,这可能并不总是一种好的设计方法。

在以前的文章中——“Common op-amp circuits”、“Op amps do integration”和“The practical op-amp differentiator is quite versatile”——我们研究了一些经典的运算放大器电路。这些电路中运用了负反馈,因此通常就可以使运算放大器工作在线性区域内。W5mednc

但是,也可以将运算放大器用作比较器,从而使其以非线性方式工作。由于其输入受到硬驱动,因此其输出电压会对电源轨产生猛烈的冲击。如下文所示,这可能并不总是一种好的设计方法。W5mednc

变为非线性

在线性应用中,可以对运算放大器做如下理想假设:无限增益和带宽、零输出阻抗、无限输入阻抗,以及输入之间为零伏。也可以将运算放大器以非线性方式使用,但有一些地方要特别注意和处理。W5mednc

一种常见的配置是仅使用开环运算放大器(无反馈),从而让其高增益产生比较器工作。没有负反馈,两个输入就不一定保持相同的电压,因此上述第四点理想运算放大器假设也就无效。W5mednc

图1显示了开环配置的运算放大器。当VIN大于零时,输出电压变高,并被限制在正电源电压附近。当输入电压变为负值时,运算放大器输出将摆动为负值,并再次被限制在负电源电压附近。这里假设运算放大器是由常规的正负电源电压供电。W5mednc

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图1:将运算放大器用作零阈值电压比较器。W5mednc

上述比较器电路在零伏附近工作。图2在该电路中增加了一个电阻分压器,对反相输入端的电压进行设置,从而提供了一种控制比较器参考电压VREF的方法。W5mednc

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图2:带有电阻分压器的运放比较器,可对阈值电压进行设置。W5mednc

图3显示了另一种常见的设计技术,即向比较器添加迟滞。在这种情况下,输入电压对运算放大器的反相输入进行驱动,VREF则连接至同相输入。R1-R2电阻分压器从输出VOUT产生VREF。当VIN降至VREF以下时,输出电压变高,从而导致VREF变成更高的电压。W5mednc

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图3:运放比较器电路通过正反馈来增加迟滞。W5mednc

类似地,当VIN转换为高于VREF时,VOUT变为最大负输出电压,从而将VREF拉低。这种迟滞效应在输入信号上存在有任何噪声时,就可以防止其在过VREF转换时造成比较器工作反向。W5mednc

图4中的多谐振荡器电路使用图3中的R1-R2迟滞电路以及RC定时电路来产生方波输出。实际上,它不是比较器电路。取而代之的是,它将运算放大器用作比较器来创建所需的输出波形。假设VOUT一开始为高电压,那么它就会通过R3为C充电。电容器电压就会增加,同时这个过程与时间常数R3-C保持一致。W5mednc

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图4:多谐振荡器电路添加RC定时电路以产生方波输出。W5mednc

当电容器电压变得大于VREF时,输出电压将摆动至负电源电压。这将导致电容器电压被驱动为负,这个过程同样与时间常数R3-C保持一致。R1-R2分压器将在同相输入上提供一定的迟滞,从而使运放实现平稳过渡。欲知有关元件值如何确定多谐振荡器频率的详细信息,请参见参考文献4。W5mednc

但是有一些问题

网上有很多关于这类非线性运放电路的文章。但是,当我查看一些IC供应商的网站时,我注意到他们强烈警告不要将运算放大器用作比较器[参考文献1和参考文献2]。其主要问题包括:W5mednc

  1. 一些运算放大器的输入上有钳位二极管,因此会限制两个输入之间的最大电压。这可以通过精心设计或选择其他运算放大器来解决。
  2. 比较器应用会将运算放大器驱动到饱和状态。从饱和状态恢复过来可能很慢,而且通常没有指定。
  3. 大多数运算放大器的输出电压摆幅可能接近正负电源电压。这可能有所指定也可能没有,而且可能无法实现很好的控制。
  4. 与为该特定应用设计的“真实比较器”相比,运算放大器的开关时间趋于较慢。
  5. 运算放大器的输出通常不设置为对数字逻辑进行驱动,因此可能需要使用其他电路来对其进行调整。

想要将运放用作比较器的主要原因可能是,有时使用一个多运放器件,正好剩余了其中一个放大器。毕竟,它就在那里,可以免费使用。如果您决定采用这种方法,则需要对数据手册进行仔细研究,并评估实际电路性能是否井然有序。然后就是要确保运放电路具有相当大的内置裕量。W5mednc

上述非线性运放工作的考虑因素,也可能有助于我们理解线性应用中可能出现的一些问题。是否有可能运放的输出被驱动到轨电压?如果是这样,恢复需要多长时间?这对电路的性能有影响吗?W5mednc

因此,许多IC供应商都建议用户使用真实的比较器而不是运算放大器。毕竟,比较器就是设计用作比较器。它具有指定的开关特性和输出驱动,通常设置为用来驱动逻辑器件。有许多经济型器件可供选择。W5mednc

Bob Witte是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。W5mednc

参考文献

  1. Op Amps used as Comparators—is it okay?” Bruce Trump, Texas Instruments, March 2012
  2. Using Op Amps as Comparators,” James Bryant, Analog Devices, Application Note AN-849, 2011
  3. Should I use an op amp as a comparator?” Janet Heath, Analog IC Tips, November 2016
  4. Op-amp Multivibrator,” Electronics Tutorials
  5. Handbook of Operational Amplifier Applications, Bruce Carter and Thomas R. Brown, Texas Instruments, Sept 2016
  6. Op Amps for Everyone, Ron Mancini, editor, August 2002

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Using an op amp as a comparator,由赵明灿编译)W5mednc

本文为《电子技术设计》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里W5mednc

(责编:赵明灿)W5mednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bob Witte
Bob Witte在Keysight Technologies、Agilent Technologies和Hewlett-Packard Company的研发、技术规划、战略规划和制造部门担任过多个职位,目前是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。 从内心深处,他只不过是一名乐于看到用创新产品来解决真正的客户问题的一名工程师。Bob写了两本关于测试和测量仪器的书:《电子测试仪器》和《频谱和网络测量》。
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