设计指南 886

比较器的合理选择


摘要 : 本文说明比较器的特性、指标以及比较器与运算放大器差异。其中包括内置基准的比较器应用电路和利用双比较器构建窗检测器、利用四比较器解决电压或电流测量问题的电路。

长期以来,受运算放大器的影响,比较器的应用一直没有得到应有的重视。直到目前随着比较器性能指标的改进,使其更好地胜任电压比较这一基本任务,这一状况才得到改善,本文主要介绍新型比较器的性能及其典型应用。

比较器的功能

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

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。

电源电压

比较器与运算放大器工作在同样的电源电压,传统的比较器需要±15V等双电源供电或高达36V的单电源供电,这些产品在工业控制中仍有需求,许多厂商也仍在提供该类产品。

但是,从市场发展趋势看,目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内,而且,比较器必须具有低电流、小封装,有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如:MAX919MAX9119MAX9019比较器可工作在1.6V或1.8V至5.5V电压范围内,全温范围内的最大吸入电流仅为1.2µA/1.5µA,采用SOT23、SC70封装,类似的MAX965和MAX9100比较器工作电压可低至1.6V,甚至1.0V,因而非常适合电池供电的便携式产品,见表1

表1. MAX9015-MAX9020选型指南
Part Comparator(s) Int. Reference (V) Output Supply Current (µA)
MAX9015A 1 1.236, ±1% Push-pull 1
MAX9016A 1 1.236, ±1% Open drain 1
MAX9017A 2 1.236, ±1% Push-pull 1.2
MAX9017B 2 1.24, ±1.75% Push-pull 1.2
MAX9018A 2 1.236, ±1% Open drain 1.2
MAX9018B 2 1.24, ±1.75% Open drain 1.2
MAX9019 2 - Push-pull 0.85
MAX90120 2 - Open drain 0.85

微型封装比较器

纳安级功耗比较器采用节省空间的晶片级封装(UCSP),电源电流低至1µA,例如:MAX9025-MAX9098系列产品,是超低功耗系统的理想选择。采用5引脚SC70封装的MAX9117-MAX9120单比较器系列产品,其电源电流低至600nA,提供两种输出供用户选择:推挽式或漏极开路,请参考表2。这些比较器非常适合2节电池的监测/管理应用。

表2. 微小封装的比较器
Package Part Comparator(s) Int. Reference Output Supply Current (µA)
6-UCSP MAX9025 1 Push-pull 1.0
6-UCSP MAX9026 1 Open drain 1.0
6-UCSP MAX9027 1 Push-pull 0.6
6-UCSP MAX9028 1 Open drain 0.6
5-SC70 MAX9117 1 Push-pull 0.6
5-SC70 MAX9118 1 Open drain 0.6
5-SC70 MAX9119 1 Push-pull 0.35
5-SC70 MAX9120 1 Open drain 0.35

比较器的性能指标

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(图1)。高电压门限(VTRIP+)与低电压门限(VTRIP-)之差等于滞回电压(VHYST),滞回比较器的失调电压(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。

图1. 开关门限、滞回和失调电压
图1. 开关门限、滞回和失调电压

不带滞回的比较器的输入电压切换点是输入失调电压,而不是理想比较器的零电压。失调电压(即切换电压)一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比(PSRR)衡量这一影响,它表示标称电压的变化对失调电压的影响。

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。例如,MAX917、MAX9117系列比较器在整个工作温度范围内的最大偏置电流仅为2nA,室温下(TA = +25°C)偏置电流低于1nA,见表3

表3. 低IBIAS
Part IBIAS
MAX9025—MAX9028 1nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX
MAX9117—MAX9120 1nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX
MAX917 1nA (max) @ TA = +25°C
2nA (max) @ TA = TMIN to TMAX

随着低电压应用的普及,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,可以比电源电压高出250mV,因而达到了所谓的超电源摆幅标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。

比较器输出

由于比较器仅有两个不同的输出状态,零电平或电源电压,具有满电源摆幅特性的比较器输出级为射极跟随器,这使得其输出信号与电源摆幅之间仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的集电极与发射极之间的电压。CMOS满摆幅比较器的输出电压取决于饱和状态下的MOSFET,与双极型晶体管结构相比,在轻载情况下电压更接近于电源电压。

输出延迟时间是选择比较器的关键参数,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、MAX9010-MAX9013,其延迟时间的典型值分别达到4.5ns和5ns,上升时间为2.3ns和3ns (注意:传输延时的测量包含了上升时间)。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响(图2),其中包括温度、容性负载、输入过驱动等因素。对于反相输入,传输延时用tPD-表示;对于同相输入,传输延时用tPD+表示。TPD+与tPD-之差称为偏差。电源电压对传输延时也有较大影响。

图2. 外部因素对传输延时的影响
图2. 外部因素对传输延时的影响

有些应用需要权衡比较器的速度与功耗,Maxim公司针对这一问题提供了多种芯片类型供选择,其中包括从耗电800nA、延迟时间为30µs的MAX919到耗电6µA、延迟时间为540ns的MAX9075;耗电600µA、延迟时间为20ns的MAX998到耗电11mA、延迟时间为4.5ns的MAX961;从耗电350µA、传输延时25ns的MAX9107到耗电900µA、传输延时5ns的MAX9010最近推出的MAX9010 (SC70封装),其延迟时间低至5ns电源电流只有900µA,为产品设计提供了更多的选择。

如需超高速、ECL或PECL输出、延迟500ps的比较器,请参考MAX9600/MAX9601/MAX9602。

实际比较器

比较器通常用于比较一路输入电压和一路固定的电压基准,为满足这种应用需求,Maxim将基准源与比较器集成在同一芯片内,这样不仅节省空间而且比外部基准耗电少,如,MAX9117在全温范围内的最大消耗电流只有1.3µA (包括内部其准源)。考虑环境温度的变化和基准源的类型,集成基准源的精度一般在1%至4%。对于精度要求较高的应用,可以考虑选用MAX9040系列产品,其内置基准源的初始精度可以达到0.4%、最大温度漂移为30ppm/°C。

双比较器MAX9017/MAX9018 、MAX923、MAX933和漏极开路输出的MAX973、MAX983非常适合窗比较器应用,内部基准可以连接到这些比较器的同相输入端或反相输入端,利用三个外部电阻即可设置过压、欠压门限(图1所示)。另外,这些芯片还含有滞回输入引脚,该引脚外接两个分压电阻设置滞回电压门限。为便于使用,有些比较器(例如:MAX912/MAX913)还提供互补输出,即对应于输入的变化,两路变化方向相反的输出。

快速延时(5mV过驱动时典型延迟时间1ms)使得MAX9201/MAX9203非常适合高速ADC和高速采样电路,如:接收机、V/F转换器及其它数据识别系统。

其它高速、低功耗比较器,例如:MAX9107/MAX9108/MAX9109,是工业标准比较器MAX907/MAX908/MAX909等的低成本升级产品。双比较器,MAX9107,提供8引脚SOT23封装;单比较器,MAX9109,采用节省空间的6引脚SC70封装;四比较器,MAX9108,采用14引脚TSSOP封装,见表4图3

表4. 超高速比较器
Speed (ns) Part Comparator(s) Supply Current (A) Package
4.5 MAX999 1 5m 5-SOT23
4.5 MAX962 2 5m 8-µMAX
5 MAX9010 1 0.9m 6-SC70
5 MAX9011 1 0.9m 6-SOT23
5 MAX9012 2 0.9m 8-µMAX
5 MAX9013 1 0.9m 8-µMAX
7 MAX9201 4 4.7m 16-TSSOP
7 MAX9202 2 2.5m 14-TSSOP
7 MAX9203 1 1.3m 8-SOT23
8 MAX900 4 2.5m 20-SO
8 MAX901 4 2.5m 16-SO
8 MAX902 2 2.5m 14-SO
8 MAX903 1 2.5m 8-SO
10 MAX912 2 6m 16-SO
10 MAX913 1 6m 8-µMAX
25 MAX9107 2 350µ 8-SOT23
25 MAX9108 4 350µ 14-TSSOP
25 MAX9109 1 350µ 6-SC70
40 MAX9140 1 150µ 5-SC70
40 MAX9141 1 165µ 8-SOT23
40 MAX9142 2 150µ 8-SOT23
40 MAX9144 4 150µ 14-TSSOP
40 MAX907 2 700µ 8-SO
40 MAX908 4 700µ 14-SO

图3. SC70封装、具有最佳速度/功耗比的比较器选择
图3. SC70封装、具有最佳速度/功耗比的比较器选择

应用

这一部分介绍了三种比较器的典型应用。

第1个例子是电平转换器,可完成3V逻辑至5V逻辑的变换。如图4所示,漏极开路输出比较器,如MAX986,提供了一个极为简捷的实现方案,同样,如果比较器供电电压允许(如MAX972),也可实现±5V双极性逻辑至3V单极性逻辑的电平转换。具体应用时应注意输入信号不要超出电源电压的摆幅,流入输出端的电流由大阻值的上拉电阻限制(参考MAX986数据资料的Absolute Maximum Ratings)。

图4. 3V至5V电平转换器
图4. 3V至5V电平转换器

图5电路解决了另一常见问题,该电路可将双极性输入(这里为正弦波)转换为单极性的方波输出,外加偏置电压为:



图5. 单极性比较器处理双极性信号
图5. 单极性比较器处理双极性信号

两个阻值相同的电阻(R4)将比较器切换检测门限设置在电源电压的一半。图6所示是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个范围,旁路电阻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至R7用来设置不同数字输出状态所对应的检测门限。

图6. 测量四个电流范围的方案
图6. 测量四个电流范围的方案

类似文章发表于ECN,2001年7月1日。