將運算放大器用作比較器

作者 : Bob Witte, Signal Blue總裁

經典的運算放大器電路中運用了負反饋,因而可在線性區域內工作。但是,也可以將運算放大器用作比較器,使其以非線性工作...

在以前的一些文章中——“Common op-amp circuits”、“Op amps do integration”和“The practical op-amp differentiator is quite versatile”——我們研究了許多經典的運算放大器電路。這些電路中運用了負反饋,因此通常就可以使運算放大器工作在線性區域內。

但是,也可以將運算放大器用作比較器,使其以非線性工作。由於輸入受到硬驅動,因此輸出電壓會對電源軌產生猛烈的衝擊。如下文所示,這可能並不一定會是好的設計方法。

進入非線性

在線性應用中,可以對運算放大器做如下理想假設:無限增益和頻寬、零輸出阻抗、無限輸入阻抗,以及輸入之間為0V。也可以將運算放大器以非線性方式使用,但有一些地方要特別注意和處理。

一種常見的配置是僅使用開環運算放大器(無回饋),從而讓其高增益產生比較器工作。沒有負反饋,兩個輸入就不一定保持相同的電壓,因此上述第四點理想運算放大器假設也就無效。

1顯示了開路配置的運算放大器。當VIN大於零時,輸出電壓變高,並被限制在正電源電壓附近。當輸入電壓變為負值時,運算放大器輸出將擺動為負值,並再次被限制在負電源電壓附近。這裡假設運算放大器是由常規的正負電源電壓供電。

1:將運算放大器用作零閾值電壓比較器。

上述比較器電路在0V附近工作。2在該電路中增加了一個電阻分壓器,對反相輸入端的電壓進行設置,從而提供了一種控制比較器參考電壓VREF的方法。

2:帶有電阻分壓器的運算放大器比較器,可對閾值電壓進行設置。

3顯示了另一種常見的設計技術,即向比較器添加遲滯。在這種情況下,輸入電壓對運算放大器的反相輸入進行驅動,VREF則連接至同相輸入。R1-R2電阻分壓器從輸出VOUT產生VREF。當VIN降至VREF以下時,輸出電壓變高,從而導致VREF變成更高的電壓。

圖3:運算放大器用作比較器時,電路透過正回饋而增加遲滯。

類似地,當VIN轉換為高於VREF時,VOUT變為最大負輸出電壓,從而將VREF拉低。這種遲滯效應在輸入訊號上存在有任何雜訊時,就可以防止其在過VREF轉換時造成比較器工作反向。

4中的多諧振盪器電路使用3中的R1-R2遲滯電路以及RC定時電路來產生方波輸出。實際上,它不是比較器電路。取而代之的是,它將運算放大器用作比較器來創建所需的輸出波形。假設VOUT一開始為高電壓,那麼它就會通過R3為C充電。電容器電壓就會增加,同時這個過程與時間常數R3-C保持一致。

4:多諧振盪器電路添加RC定時電路以產生方波輸出。

當電容器電壓變得大於VREF時,輸出電壓將擺動至負電源電壓。這將導致電容器電壓被驅動為負,這個過程同樣與時間常數R3-C保持一致。R1-R2分壓器將在同相輸入上提供一定的遲滯,從而使運算放大器實現平穩過渡。

但是有一些問題

網路上有很多關於這類非線性運算放大器電路的文章。但是,當我查看一些IC供應商的網站時,我注意到他們強烈警告不要將運算放大器用作比較器。其主要問題包括:

  1. 一些運算放大器的輸入上有箝位二極體,因此會限制兩個輸入之間的最大電壓。這可以透過精心設計或選擇其他運算放大器來解決。
  2. 比較器應用會將運算放大器驅動到飽和狀態。從飽和狀態恢復過來可能很慢,而且通常沒有詳細說明。
  3. 大多數運算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負電源電壓。這可能有詳細說明也可能沒有,而且可能無法實現很好的控制。
  4. 與為該特定應用設計的「真實比較器」相較,運算放大器的開關時間趨於較慢。
  5. 運算放大器的輸出通常不設置為對數位邏輯進行驅動,因此可能需要使用其他電路來對其進行調整。

將運算放大器用作比較器的主要緣由,是使用一個多運算放大器元件時正好剩餘了其中一個放大器。畢竟,它就在那裡,可以免費使用。如果您決定採用這種方法,則需要對資料手冊進行仔細研究,並評估實際電路性能是否井然有序。然後還要確保運算放大器電路具有相當大的內建裕量。

上述非線性運算放大器工作的考慮因素,也有助於我們理解線性應用中可能出現的一些問題。運算放大器的輸出是否可能會被驅動到軌電壓?如果是這樣,恢復需要多長時間?這對電路的性能有影響嗎?

因此,許多IC供應商都建議用戶使用真實的比較器而不是運算放大器。畢竟,比較器就是設計用作比較器。它具有指定的開關特性和輸出驅動,通常設置為用來驅動邏輯元件。有許多經濟型元件可供選擇。

(參考原文:Using an op amp as a comparator,by Bob Witte)

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