我們知道運放可以配置成比較器電路，但市面上還有一種比較器芯片，比如：LM311、LM393 等。這是為啥？為啥運放明明可以配置成比較器電路，還要生產(chǎn)專門的比較器芯片。今天我們來學(xué)習(xí)一下比較器芯片和運放電路的區(qū)別。

    缺點一

    運放芯片的第一個問題就是運放的輸出電壓很難做到軌到軌(Rail-to-Rail)，也就是說運放的輸出很難達(dá)到正電源電壓。


    LM358 數(shù)據(jù)手冊中的共模電壓范圍顯示，其輸出的最大電壓為正電源電壓減去 1.5：


 
                                           共模電壓


    下面是運放芯片 LM358 內(nèi)部電路的差分輸入級（Input Stage）:


   
                                                   差分輸入級

    電壓放大級(Voltage Amplifier Stage)：


    

                                              電壓放大級

    輸出級（Output Stage）是一個推挽電路：


    
                                                      輸出級

    運放內(nèi)部電路中的這些三極管會產(chǎn)生一定的壓降，因此輸出電壓不可能達(dá)到完全飽和，它總是和電源電壓有一定的差距：


    
                                                  無法軌到軌

    圖中 +Rail 表示正軌或正電源電壓；-Rail 表示負(fù)軌或負(fù)電源電壓。黃色波形是輸入波形，藍(lán)色波形是輸出波形。

    請記住運放被設(shè)計用于在線性放大區(qū)域工作而不適合在軌到軌（正負(fù)電源）電源之間擺動輸出。

    相比之下，通用比較器芯片仍然具有類似的差分輸入級：

    
                                                  差分輸入級

    比較器的輸出為集電極開路 (Open Collector)輸出和漏極開路（Open Drain）輸出, 因此其輸出完全可以達(dá)到軌到軌，也就是輸出電壓可以達(dá)到電源電壓：


    
                                                    輸出級

    我們可以通過在比較器芯片外部加一個上拉電阻，然后將開漏輸出引腳接到負(fù)電源的方式，將其輸出驅(qū)動到完全飽和或截止：


   
                                               完全飽和或截止

    運放比較器電路

    我們通過一個具體的電路看一下運放的輸出能否做到軌到軌（Rail-to-Rail）。
   
    下圖是一個典型的運放比較器電路：

    

                                                   運放比較器電路  

    兩個10k 電阻構(gòu)成分壓器接到反相輸入引腳，提供一個比較參考電壓 5 伏。正弦信號輸入到同相引腳。同相輸入引腳我們輸入一個以 5 伏為中心的正弦波，這會在輸出引腳輸出一個方波。

    面包板上組裝好的電路如下：


    
                                            面包板上的運放比較器電路

    波形如下：

    
                                           運放比較器電路波形

    紫色波形是接到同相輸入的正弦波，青色是輸出波形，黃色是正電源電壓。

    可以看到輸出波形的峰值達(dá)不到正電源電壓，我們用示波器光標(biāo)測量功能測量其和正電源電壓的差距是 1.43 伏，接近數(shù)據(jù)手冊中的 1.5 伏：

    
                                               遙不可及的夢

    比較器芯片電路

    下圖是一個用比較器芯片 LM311 搭建的和上面的運放比較器電路功能相同的電路：


   

    注意其輸出需要接上拉電阻。

    在面包板上組裝完成的 LM311 比較器電路：

    
                                   面包板上的比較器芯片電路

    LM311 比較器電路波形：


   
                                        比較器芯片 LM311 波形

    
    可以看到輸出電壓已基本和正電源電壓重合了，做到了軌到軌（Rail-to-Rail)。

    缺點二

    運放或運放比較器電路的第二個缺點就是其輸出響應(yīng)很慢。


    我們看運放芯片內(nèi)部有一個小小的補(bǔ)償電容：


    
                                      運放芯片 LM358 內(nèi)部的補(bǔ)償電容

    而比較器芯片內(nèi)部則沒有這顆電容：


    
                                    比較器芯片 LM311 內(nèi)部沒有補(bǔ)償電容


    運放內(nèi)部的補(bǔ)償電容導(dǎo)致了運放的輸出響應(yīng)相對通用比較器芯片而言有點慢。


    下圖中黃色波形是運放比較器電路的輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：


    
                                               運放輸出響應(yīng)慢

    可以看到比較器芯片輸出可以達(dá)到 10 伏的正軌電壓，比較器能夠快速達(dá)到正軌電壓，而運放受制于較低的壓擺率響應(yīng)速度相對而言有些慢。

    我們放大波形看看:


    
                                             輸出響應(yīng)時間比較


    我們測量波形的上升時間，即波形從10% 上升到 90% 所需的時間?？梢钥吹奖容^器以 4.76 微秒的速度快速上升。受限于較低其壓擺率，運放的上升時間達(dá)到了 28 微妙。

    傻人有傻福

    我們通過另一個例子來體會一下專用比較器芯片的快速響應(yīng)速度。

    運放比較器電路

    下面是一個運放比較器電路：

    

                                             運放比較器電路

    兩個 10k 的電阻構(gòu)成的分壓器為同相引腳提供 2.5 伏的比較參考電壓。可調(diào)電阻接到反相引腳，其可調(diào)電壓范圍為 0~5 伏：

    當(dāng) 2 腳電壓 > 2.5 伏時，輸出為 GND, LED 點亮；

    當(dāng) 2 腳電壓 < 2.5 伏時，輸出為 +5伏, LED 熄滅。

    面包板上組裝好的電路如下：


    
                             面包板上組裝好的運放比較器電路


    來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點亮或熄滅 LED。


    探頭接在運放輸出引腳（1腳）上，時基為 2ms ， LED 由亮到滅時波形截圖如下：


    
                                            比較器電路波形

    看上去一切正常，很好。

    比較器芯片電路

    我們使用比較器芯片 LM311 搭建上面的比較電路，電路圖如下：


    
                                           比較器芯片 L:M311 電路


    面包板上組裝好的電路如下：


    
                                        面包板上組裝好的電路


    來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點亮或熄滅 LED。

    我們把示波器探頭放到比較器芯片輸出引腳 7 上，看看波形。觸發(fā)方式設(shè)置為正常， 這樣只有發(fā)生觸發(fā)時波形才會刷新，否則波形不動。我們將時基調(diào)整到 2ms 時， 旋轉(zhuǎn)電位計，LED 由亮到滅時截取的波形如下：


   
                                           輸出波形有毛刺


    可以看到 LED 由亮到滅時波形有很多毛刺（或者振蕩）。

    將波形放大看看：


   
                                        輸出波形有振蕩


    為啥會產(chǎn)生這些振蕩？

    要知道這個世界上沒有完美的信號，信號上總是多多少少有一些噪音。電位計輸出的電壓不是穩(wěn)定的它有一定的噪音，在調(diào)節(jié)電壓接近同相引腳的參考電壓時，這些上下抖動的噪音會導(dǎo)致比較器輸出抖動。不要忘了運放（比較器也是一個運放）是對兩個輸入引腳的壓差非常敏感的，只要這兩者之間的壓差比零大一點，哪怕是非常小，也會被放大反應(yīng)到輸出引腳上。


    我畫了一個簡單的圖來說明這個問題：


   
                                   輸入信號有噪音，導(dǎo)致輸出振蕩


    可以看到輸入信號在接近參考電壓 2.5 伏時，其上面的噪音會在 2.5 伏上下抖動，導(dǎo)致輸出也跟著抖動。


    問題的解決很簡單，把比較器配置成施密特觸發(fā)器就可以了，具體可以參考我的另一篇文章：運放教程2-正反饋電路。這里我們在輸出引腳和同相引腳之間加一個10k的電阻即可。


    加上正反饋電阻后的波形截圖：


   

    可以看到波形干凈利落，沒有任何雜波。


    前面運放組成的比較器電路反而沒有這個問題，那是因為運放的輸出響應(yīng)時間相對于專用比較器芯片來說太慢了，它沒能捕捉到輸入信號上的噪音，這也算傻人有傻福吧。比較器芯片能夠快速捕捉輸入信號的變化，雖然在輸入信號有噪音時這可能會導(dǎo)致一些問題，但是對于一些要求快速響應(yīng)的信號你就必須得使用專用比較器芯片了。


    LM311 的響應(yīng)時間可達(dá) 165 納秒:


    

                                                             165 納秒

    總結(jié)

    今天我們學(xué)習(xí)了比較芯片，這道了比較器芯片相對運放芯片來說至少具有下面兩個優(yōu)點：

        1. 輸出可以做到軌到軌

        2. 快速的響應(yīng)時間