运算放大器和比较器的区别：为什么选择比较器而不是运算放大器？

2021年7月16日 - 0评论

有很多原因可以解释为什么你不应该使用an作为比较器的运算放大器，这也是敬业的原因比较器集成电路存在。在本文中，我们将进一步研究这些原因，并实际演示运算放大器和比较器的区别通过相互比较。

使用运算放大器作为比较器的原因

一般来说，运算放大器和比较器来自于高增益的同一家族差动放大器它们有许多共同的特性——差分输入和单端输出，后者根据输入电压的不同产生电压。甚至两部分的示意符号也是一样的，如下图所示。

运放VS比较器符号

图1运算放大器和比较器示意图

使用运算放大器作为比较器的一个最常见的原因是，运算放大器可以在有两个或甚至四个运算放大器的包中使用。在这种情况下，一个或多个运算放大器可能没有使用，而不是在电路的其他地方使用比较器，可以使用一个运算放大器。在大多数情况下，这是好的，但如果不清楚比较器和运算放大器的操作方式的差异，就会很快导致问题。

看看运算放大器和比较器内部

理解的第一步运算放大器和比较器之间的区别请看一下内部示意图。这里是LM358运放和LM393比较器由于这两个部分都很受欢迎且容易获得，因此它们也用于实际演示。

LM358和LM393内部示意图

图2 lm358和lm393的内部原理图

乍一看，输入级或多或少看起来是一样的(省去比较器上额外的二极管)，唯一的区别是输出级。

数字和模拟输出:

最大的区别是，比较器输出为开路集电极，运算放大器输出为互补NPN-PNP对。这已经指出了两者之间最大的区别——一个是设计用于提供数字输出，另一个是模拟输出。

由于比较器本质上是一个1位模数转换器，数字输出被设计为与各种逻辑家族接口，每个逻辑家族具有不同的高、低阈值。一个开路集电极输出可以是一个更复杂的电平漂移电路的一部分，以确保数字输入被驱动到正确的电平。另一个数字技巧是“电线或“多个输出–将它们连接到一个上拉电阻器，当任何一个比较器的输出低时，总输出低。这在故障检测和窗口比较器中很有用，其中多个比较器的输出连接在一起。这将不可能与互补输出阶段。另一个幽默的轶事是，虽然运算放大器可以用作比较器，但比较器不能用作运放-输出级不是简单地设计为在供电轨之间的电压下工作。

然而，运放的输出更加复杂，因为它被设计为精确复制模拟信号，失真非常低。

需要注意的另一点是，运算放大器的输出晶体管不是功率晶体管，因此设计为在其中一个轨道上工作时不像比较器那样饱和。为了保持输出饱和，运算放大器可能会比正常情况下消耗更多的电流，从而导致发热。驱动输出晶体管出由于在基地中储存电荷，饱和也会占用更多的时间。

然而，比较器输出被设计成干净地饱和到轨道，有时甚至具有抗饱和电路。这听起来可能有悖常理，但对于基极发射极电容相当大的功率晶体管来说，达到饱和可能需要一些时间。由于这个原因，一些比较器的特点是，其输出晶体管的工作电路接近饱和，因此它们不需要时间来摆动到另一个轨道。这方面的一个很好的例子是LM311.

补偿电容器（Cc）：

这两个电路之间的第二大区别是“C”的存在_C"在运放电路中。这是补偿电容这样就会减少运算放大器在高频时的增益。这是对运放的必要补充，直流稳定性是很重要的-输出不应该有振荡。这个电容也是运放相对“慢”的主要原因——补偿电容限制了输出反转率。这意味着运算放大器在电源轨道之间移动输出需要有限的时间。这(加上饱和问题)会导致作为比较器的运放的响应时间明显延迟。

另一方面，比较器没有这种限制。任何微小的输入差异都会导致输出快速而剧烈地摆动到供电轨，这在速度受到高度重视的数字系统中是一件好事。

改变输入引脚:

第三个不太明显的区别是，运算放大器和比较器电路上的反相和非反相输入是反向的（相对于充当输入晶体管有源负载的电流镜）。这是因为比较器被设计为在开环配置（或具有正反馈）中保持稳定，而运算放大器被设计为具有某种形式的负反馈。

运算放大器和比较器的输入输出限制

运算放大器和比较器内部电路的差异代表了“微观”差异。还有其他的“宏观”差异，这些差异表现为每种类型的设备额定要处理的输入电压范围。

这与运算放大器和比较器所设计的反馈类型有很大关系。

对于能够开环或正反馈工作的比较器，如果其中一个输入高于或低于另一个，则输出必须通过在其中一个轨道上饱和来快速响应，表示数字0或1。

另一方面，运算放大器被设计用于外部负反馈网络，试图通过改变输出来保持两个输入相同，并希望外部网络使输入微分为零。

显而易见，比较器的输入共模（和差分）电压范围比运算放大器大得多。

附近的电压供给rails尤其如此,几乎所有的运算放大器与输入和输出操作,在几伏以上的供应rails(存在轨到轨输入和输出运算放大器,但他们有他们自己的问题),以及任何旅行超出这些限制通常会导致不必要的行为:

1.老式运算放大器有一个问题叫做反相，其中，将输入驱动到共模范围之外将导致输出同相反转–基本上是输出反转。

2.输入偏置和输入偏置电流在输入电压范围内不是恒定的。这是一个显而易见的问题，特别是在RRIO运算放大器中。输入过电压有时会激活保护钳位二极管，并将电流分流到任一电源轨上。有些运算放大器甚至在两个运算放大器上有一对反并联二极管输入,任何大的差异都会立即被看作是输入阻抗的降低。这可能是个问题，也可能不是，这取决于输入。当在线性模式下使用时，这些二极管不是问题，因为负反馈试图保持输入微分为零。但当使用具有大输入电压波动的开环时，这些二极管会导通，降低输入阻抗，导致过热并最终破坏芯片。