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比较器规划攻略与选型技巧

比较器是业界应用极其广泛的标准元件。比较器具有外部滞后、锁存、灵活的电源电压和输出配置等多项功能和特性。作为一名出色的模拟工程师,熟练使用比较器是必须的。在实际设计应用的比较器经常用到,偶尔工程师也会

比较器是业界运用极端广泛的规范元件。比较器具有外部滞后、锁存、灵敏的电源电压和输出装备等多项功用和特性。作为一名超卓的模仿工程师,娴熟运用比较器是有必要的。在实践规划运用的比较器常常用到,偶然工程师也会将运算放大器来作为比较器运用。

什么是比较器?比较器原理

咱们从工程学教程里了解到,运算放大器需求三个内部级才干发挥出最佳功用,比方完结高输入阻抗、低输出阻抗和高增益等。三个内部级别离是差分输入级、增益级(有或没有内部频率补偿)和输出级。这种底子的体系结构现已沿用了好几十年。前期,运算放大器曾作为数学运算的底子器材,主要以电压和电压信号来作标识。在反应运用中,经过装备放大器周边的无源或有源器材,能够令体系履行加、减、乘、除和对数等运算。

比较器其实可当作一个能够作逻辑 “决议方案”的逻辑输出电路。换句话说,它可把输入信号与已界说的参阅电平进行比较。比较器的逻辑输出功用能够协助用户规划具有多样化的额定功用的模仿电路。而且,无论是高速ADC、SAR型ADC仍是Sigma-Delta ADC,比较器都是组成集成ADC的内部底子而又要害的模块。

比较器的底子体系结构和大部份的参数特点都与运算放大器相似。因而,运算放大器也可充任比较器。但放大器并不是专门针对比较功用而开发的,而且放大器的数据表一般都不确保这项功用可否正常完结。运算放大器与比较器的最大别离在于比较器是开环规划,没有反应环节,而且输出会在任何一条电源轨的规模内显现差分输入信号的极性。

此外,比较器一般都会被规划成 “过压驱动”(overdriven),意思是它可常常处理较大的差分输入电压。相反,关于运算放大器而言,它一般被规划成在较小的信号和差分电压下运转,而这儿的反应概念一般都含有 “过驱” 含义,这样会导致开环装备中的输入呈现饱满效应。假设将输入的极性倒转,则过驱时发生的输入级的饱满会导致信号的传达具有必定的推迟或相位滞后。

再者,关于较大的差分输入电压来说,运算放大器的输出很简单抵达极限输出,然后发动维护功用。维护功用的发动将会导致输入阻抗的量级显着下降,迫使过量的电流涌到输入级,形成过载,乃至过热。假设在规划上没有维护的办法,那便或许导致整个器材损毁。因而,在器材的数据表,一般都会供给器材的最大输入电流的额定值,以协助规划人员决议用多少附加输入

比较器一般都不进行频率补偿功用,因而其作业速度恰当高,一同时刻也在某程度上取决于 “过驱”的程度。图1表明出当衡量一个输出状况改变时的差分输入电压。从图中可看出过驱需求高于失调电压才能够确保比较器有用地进行作业。一般来说,较大的过驱可加速开关时刻。

比较器一般都以参数值和/或功用来分类,例如:


  图1 输入过驱和相关的传达推迟散失
  ·通用比较器;
  ·高速比较器(传达推迟少于50毫微秒);
  ·低压比较器(电源电压VCC低于5V);
  ·微功率比较器(静态电流低于20微安);
  ·集成参阅的比较器。
  比较器的特性取决于其类别,别离为:
  ·传达推迟—由施加一个差分信号与切换状况的输出级之间的时刻推迟 (例如是50%)。
  ·内部或外部滞后— 滞后是一种介乎低到高开关电压和高到低开关电压之间的规划预算中或需激活的不同。有些比较器具有可调理滞后水平的功用,办法是经过在指定的引脚上施加电压。
  ·上升及下降时刻—一般是输出电压的10%至90%的时刻,而且上升和下降缘的时刻能够有不同,假设这状况呈现,那将会导致输出的周期时刻会相关于输入信号而改动。
  ·触发率—指在某一个频率下,比较器的输出能够跟从输入的状况来改变。
  ·散失—丈量传达推迟改变的参数。
  ·颤动—能够是随机或事前决议,担任丈量信号缘在时刻上的不定性。

如今业界常用的比较器大多数是经过优化规划的,可为体系带来增值效益。最遍及的比较器运用类别是电平平移。如今,TTL和CMOS逻辑电平均已被广泛选用。关于高速运用而言,还可选用ECL(发射极耦合逻辑)、RSPECL(摆幅减少正发射极耦合逻辑)或LVDS(低压差分信号)。当需求从电缆和线路衔接IC和FPGA,或在背板内的信号速度处于由每秒数百兆位至数千兆位的高速规模时,上述方案便会成为首选。LMH7220和 LMH7322便是可用作为高速/超高速电平比较改换的高速比较器材。

图2表明出一个LMH7322双高速比较器,而且以ECL改换到RSPECL的转换器方法完结。ECL高速逻辑现已沿用了很多年,尤其是供军事或丈量用以及工业用的高级设置,而且它们归于负电压电平参阅信号(-5.2V接地),难以衔接到其它别离电源或单电源体系。幸而,LMH7322不单可有用处理上述的问题,与此一同比较起一般的逻辑电平移位器,它可供给给规划人员更大的自由度。该比较器在输入和输出电路上具有不同的电源引脚,而其电源能够是由2.7V至12V的单一电源,又或是由±6V至±1.35V的别离电源。在输入时的共模规模可超出最低的电源电平200mV,然后令能在如此低的输入信号电平下感测到纤细的信号。在高边上,共模规模遭到1.5V的VCCI的约束,但需合作2.7V的VCCI和VCCO,仍是有或许在输出上供给PECL逻辑电平。


  图2 ECL到RSPECL的电平改换

假设典型的上升和下降时刻为160ps,而典型的传达推迟则为700ps,那便可促进该比较器为高速至每秒数千兆位的信号进行缓冲和电平平移,然后使电路适宜运用在高速数据、时移、缓冲,或是来自电缆或背板的信号康复。一个可调理的滞后可经过HYST引脚来实施,这做法关于失真信号或DC耦合线路或移动缓慢的信号来说最为受用,由于这可防止呈现不必要的开关和触发。图2中的运用电路表明出输入VCCI信号是处于体系接地电平,而VCCO电平缓VEE电平则别离处于+5V和-5.2V(这便是ECL驱动器负电源电平)。此外,输出电压将可契合RSPECL的标准。同一个器材能够用来介接到其他的逻辑电平,只需稍为调理VCCI和VCCO及VEE电压电平便可。参加例如是50W的恰当线路端接是有或许的,图3所示为一底子端接比方。

图3中的差分输出以一个跟从着电源电流的发射极来完结,而且确保两个输出引脚之间的摆幅不同有400mV。假设这儿选用有源端接,那电压便会低于VCCO电平2V,不然每逢端接到芯片的最负电源时,便需计算出正确的负载电阻。


  图3 LMH7322的输出线路端接比方

此外,上升/下降时刻或带有散失的传达推迟等参数均需求慎重考虑,而且它们不是悉数都被规则。散失能够因共模、过驱和压摆率的改变而引致,然后影响传达推迟、作业周期和颤动。以LMH7322为例,过驱散失或比较20mV至1V过驱的改变为75ps,在这状况下会大约添加自身的传达推迟约10%。

一个 “新类别”—精度比较器

一般比较器都有约10mV或更大的输入失调电压。精度型比较器的长处很显着,由于它可比较弱小信号。迄今为止,仍有人选用运算放大器作为比较器,便是由于一般的比较器不具有满足的精度。在电池电量监测运用中,当充电/放电的电压梯度相对平整时,便可选用这些参数。其他特征功用包含低功耗、高精度,及可调整的检测阈值。

  图4 具有”低电荷”状况显现的电池监视器

图4是选用LMP7300的电池电压监视器,该器材具有集成式高精度电压参阅的微功率比较器。该电路的电池走漏电流极小,典型为10mA的典型静态电流,而且具有2.5V至12V的宽广电压规模,它可在高边(电源线路)感应电流和具有有一个2.048V 55ppm的电压参阅和经过两根引脚完结的可调理滞后。开漏输出能够驱动一个LED或触发一个微控制器的输入逻辑引脚。在图4中,R1和R2会为到达低的静态电流而设置成高阻抗。假设要触发一个低电池条件,那下列的公式1和2便可用来决议R1的数值:
  (1)
  那么,假设
  (2)
  若R2已知(例如是1MW),Vref 为2.048V,Vbatt应该是2.7V
  (3)
  190W和5mF的RC组合关于缓冲参阅是很重要,由于这组合具有大约1mA的负载驱动才能和它可改进线路的调理才能。

  图5 非对称滞后的典型装备
  图5表明出可用来供给非对称滞后的内部参阅和四个外部阻器。电路中的跳变点可用下式4和5计算出来,至于滞后输入电压和电流规模以及参阅负载电流数值则可从数据表中找到,但这些数值或许会约束了真实的电阻值规模和比率。

比较器的选型

用户应找怎样挑选自己的比较器?不同的运用可接受的挑选规模是什么?国家半导体公司发言人表明,低功率器材最小作业电压应为1.8、2.5或2.7V,传输延时应在7ns~1ms规模(取决于不同的运用),偏移电压应在微伏到毫伏之间。ADI产品线司理CarltonLane说,规划者应寻觅最低rms的颤动值,最小的参数离散和传输延时,依据不同的输入条件比方过冲和脉冲边际速率来得到更好的沟通时序精度和高速度。凌特公司信号调制产品商场司理Evik Soule则表明,用户挑选产品之前应该先决议比较器的触发速率、传输延时、功耗和适宜的电压规模。

此外,在运用过程中,还应留意一些事项。国半以为,一个重关键便是经过添加滞后来扫除比较器啁啾现象。ADI的CarltonLane指出输入和输出应尽或许阻隔,可编程的滞后能够用来有用的减小不稳定性。他说:“当没有过冲时,任何输出到输入的耦合都会引起不稳定。
一同,Linear公司的Soule说:“应确保器材管脚结构针对高速布线作了优化。假设速度最重要,那么选用有最低延时的器材作业电压。还要清楚是否需求特别的电源序列,是否需求一个独自输入输出的器材。”

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