理解精密比較器特殊的工作特性

比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。在許多情況下，如方脈沖整形電路中，電壓比較的精度不是很關鍵，電壓值可以在幾百毫伏范圍內(nèi)變化而不影響電路性能。然而，也有許多應用要求非常精確的比較電壓，而且這些電壓要求具有很小的漂移，不會與遲滯電路發(fā)生交互影響。本文討論了將普通比較器應用于精密電壓檢測時遇到的問題，并介紹了一款新的能夠克服這些問題的精密比較器。

普通比較器

比較器是一種高增益放大器，可以放大輸入端很小的差分信號，并驅(qū)動輸出端切換到兩個輸出狀態(tài)中的一個。圖1是基本的比較器電路，可以用在反相或同相配置中。輸入信號與門限電壓VTH進行比較，輸出端根據(jù)輸入信號是小于還是大于VTH而改變其狀態(tài)。

圖1B和1D給出了比較器電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)。同相比較器被定義為在輸入信號大于門限電壓時輸出為正的比較器，而反相比較器被定義為輸入信號大于門限電壓時輸出為負的比較器。

圖1：同相與反相比較器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。


比較器的增益決定了將輸出驅(qū)動到高或低輸出狀態(tài)所要求的差分輸入電壓。例如，如果比較器的增益為80dB，即10,000倍，并且供電電壓為5V，那么把輸出驅(qū)動為高或低狀態(tài)所需的輸入差分電壓只需0.5mV。這種情況下，很容易因為信號上或比較電壓VTH上的噪聲而在比較器輸出端產(chǎn)生多次狀態(tài)變化的問題。

圖2中的示波器圖形，顯示了一個有較小噪聲的輸入信號、以及它對圖1C所示的反相比較器輸出狀態(tài)的影響。在圖2中，綠色線條代表的是輸入信號VS，藍色線條代表的是門限電壓VTH，而黃色線條代表的是比較器的輸出VO。

圖2所示的比較器輸出信號下降沿的波動可以利用正反饋消除，因為正反饋可以用來增加比較器的滯后效應。圖3給出了圖1所示比較器的應用原理圖，其中反饋電阻Rf和Ri增加的正反饋和滯后功能也顯示于轉(zhuǎn)換函數(shù)的圖形中。

圖2：沒有滯后的比較器信號。

圖3：帶滯后效應的同相與反相比較器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。


正反饋增強了信號電壓與轉(zhuǎn)變點參考電壓VTH之間的差異，并產(chǎn)生兩個門限值：一個用于正方向變化的輸入信號，一個用于負方向變化的信號。它們在圖3中分別被標記為LSTV(下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓)和USTV(上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓)。滯后功能將抑制小于滯環(huán)寬度的噪聲幅度，并阻止出現(xiàn)多次輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

討論具有滯后功能的比較器需要引入一個新的術語：狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓，它被定義為導致比較器輸出狀態(tài)發(fā)生切換時的實際信號電壓值。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓有兩個獨特的值，具體取決于比較器輸出電壓；VTH是門限電壓(或閥值電壓)，也是理想的比較電壓。

STV即狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，它是輸出狀態(tài)改變時的信號電壓。STV有兩個值：

·USTV，即上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，是比門限電壓更大的STV。

·LSTV，即下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫，是比門限電壓更小的STV。

圖4中的示波器圖形是圖3中的反相比較器增加了滯后功能后的效果。其中綠色線條代表的是輸入信號VS，黃色線條是輸出信號VO，而藍色線條是比較器+IN引腳上的電壓。該圖顯示了增加滯后功能后門限電壓的階躍函數(shù)，從而產(chǎn)生了USTV和LSTV。

圖4：帶滯后效應的反相比較器。

在該圖中，輸入信號已經(jīng)被稍稍向上偏移了一些，以便展示滯后步驟的細節(jié)。

雖然滯后可以消除狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的輸出波動，但狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的實際值的精度將有所下降。沒有滯后效應時，VTH、USTV和LSTV的值是相等的。

有了滯后功能后，USTV和LSTV將受到反饋電阻精度、比較器輸出飽和電壓、VTH值以及任何與信號源或門限電壓源有關的源阻抗的影響。

參考圖3A，該圖顯示的是不帶滯后功能的同相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式1：

等式1忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。輸出電壓VO有兩個值，一個是VOL，即輸出低飽和電壓，一個是VOH，即輸出高飽和電壓，因此+IN電壓有兩種計算結(jié)果。輸出飽和電壓值在大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊中都有規(guī)定。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓是輸入信號VS在+IN=VTH時的值。

等式2給出了同相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

等式3給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

圖3C是帶滯后功能的反相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式4：

等式4也忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。


等式5給出了反相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

等式6給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓：

拿同相比較器為例，等式2和3可以用來計算一系列曲線以表明這種滯后效應對實際狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的影響，以及圍繞VTH的滯后電壓位置。

圖5是VTH在0到5V范圍內(nèi)變化時得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓圖。該圖疊加了兩個節(jié)點。

圖5：同相比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓。

標記為+IN=VTH的黃線是+IN=VTH時的圖形，它代表了比較器輸入端的電壓，是比較器輸出端改變狀態(tài)時的點組成的曲線。

標記為USTV的綠線以及標記為LSTV的藍線分別是上位和下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的圖形。

這些值是在+IN等于VTH、Rf=100kW、Ri=20kW、VOL=0.0V和VOH=5.0V時用等式2和3算出來的。這里選用了正反饋的較大值以便清晰地表明結(jié)果。在電路工作期間，當VS信號高于上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時，比較器的輸出將切換到高輸出狀態(tài)；當VS低于下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時比較器的輸出則切換到低輸出狀態(tài)。

這帶來的主要影響是當門限電壓值變化時滯后效應不對稱。滯后曲線的位置不是以門限電壓為中心(只有一個點例外)并且取決于VTH。

對有些比較器應用而言，狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的精度不是關鍵，但還是有許多應用可以從精確、容易受控的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓受益。

“劑量調(diào)節(jié)”就是這類應用之一，其中的“劑量(Dose)”是速率的積分。例如，如果一個管道中的液體流速為每分鐘1加侖，那么劑量或一定時間間隔內(nèi)液體的總量就是總液體數(shù)量或這段時間內(nèi)流動速率的積分。

作為本例的一個具體應用是醫(yī)療X射線放射量測定，它用于控制X射線膠片的曝光。在X射線診斷過程中，對X射線膠片進行精確地曝光控制有助于減少病人接受的X射線。