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,并驅動輸出端切換到兩個輸出狀態中的一個。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,輸出端根據輸入信號是小于還是大于VTH而改變其狀態。

圖1B和1D給出了比較器電路的轉換函數。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換函數。

比較器的增益決定了將輸出驅動到高或低輸出狀態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,那么把輸出驅動為高或低狀態所需的輸入差分電壓只需。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生多次狀態變化的問題。

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換函數的圖形中。

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移函數。

正反饋增強了信號電壓與轉變點參考電壓VTH之間的差異,并產生兩個門限值: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(下位狀態轉換電壓)和USTV(上位狀態轉換電壓)。滯后功能將抑制小于滯環寬度的噪聲幅度,并阻止出現多次輸出狀態轉變。

討論具有滯后功能的比較器需要引入一個新的術語:狀態轉換電壓,它被定義為導致比較器輸出狀態發生切換時的實際信號電壓值。狀態轉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即狀態轉換電壓的縮寫,它是輸出狀態改變時的信號電壓。STV有兩個值:

·USTV,即上位狀態轉換電壓的縮寫,是比門限電壓更大的STV。

·LSTV,即下位狀態轉換電壓的縮寫,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,從而產生了USTV和LSTV。

圖4:帶滯后效應的反相比較器。

在該圖中,輸入信號已經被稍稍向上偏移了一些,以便展示滯后步驟的細節。

雖然滯后可以消除狀態轉換期間的輸出波動,但狀態轉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電壓有兩種計算結果。輸出飽和電壓值在大多數數據手冊中都有規定。狀態轉換電壓是輸入信號VS在+IN=VTH時的值。

等式2給出了同相下位狀態轉換電壓:

等式3給出了同相上位狀態轉換電壓:

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轉換電壓:

等式6給出了同相上位狀態轉換電壓:

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轉換電壓的影響,以及圍繞VTH的滯后電壓位置。

圖5是VTH在0到5V范圍內變化時得到的狀態轉換電壓圖。該圖疊加了兩個節點。

圖5:同相比較器狀態轉換電壓。

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轉換電壓的圖形。

這些值是在+IN等于VTH、Rf=100kW、Ri=20kW、VOL=和VOH=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果。在電路工作期間,當VS信號高于上位狀態轉換電壓時,比較器的輸出將切換到高輸出狀態；當VS低于下位狀態轉換電壓時比較器的輸出則切換到低輸出狀態。

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,狀態轉換電壓的精度不是關鍵,但還是有許多應用可以從精確、容易受控的狀態轉換電壓受益。

“劑量調節”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液體的總量就是總液體數量或這段時間內流動速率的積分。

作為本例的一個具體應用是醫療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。

針對這個應用的電路如圖6所示。

圖6:具有可編程曝光功能的X射線放射量測定器。

該電路由兩個功能組成:一個是電離室,它能檢測X射線,并產生正比于X射線強度的電流IIC；另一個是由放大器A1和電阻RF組成的跨阻放大器(TIA),用來將電離室電流轉換成電壓:

Dose = IIC x RF

放大器A1是針對非常低輸入偏置電流(典型3fA)設計的LMP7721,它非常適合放大源阻抗較高的信號,如電離室。放大器A2是一個用來測定劑量的積分器,它是劑量速率的積分:

當引腳1的積分器輸出與引腳2的門限電壓相等時,比較器LMP7300會指示所需劑量已達到。

在這類應用中,所需劑量取決于多種因素,如被照射X射線的物體密度。

圖6中的12位DAC用來設置比較器的門限電壓。LMP7300具有一個精確穩定的參考電壓,這個參考電壓被放大器A3放大到,并成為DAC的電壓參考,而DAC則向LMP7300比較器提供可編程門限電壓。

該應用的另一個特點是使用LM2787和LM285-2.5為放大器A1和A2產生的供電電壓。這個很小的負電壓可以使放大器輸出擺幅為0V,并根據速率和劑量信號改變放大器A1和A2的輸出飽和電壓到0V左右。

用于這類應用的比較器需要具有一個精確門限電壓,該門限電壓要能在一定范圍內是可編程的,以便優化膠片曝光。門限電壓應獨立于滯后電壓值、門限電壓值、比較器的輸出飽和電壓和反饋電阻容差。像LMP7300這樣的精密比較器就可以提供這些性能。具有獨立比較器功能和滯后控制功能的LMP7300如圖6所示。

另外,控制USTV的正向滯后和控制LSTV的反向滯后電路都具有獨立的控制輸入。這個重要特點如圖7所示,該圖給出了輸入信號和滯后控制組合下的比較器轉換函數。這個比較器有效地將代表了理想比較電壓的門限電壓與USTV和LSTV分開來,從而在提供精確信號比較的同時仍能提供滯后功能。

圖7:LMP7300獨立的滯后控制功能。

LMP7300的滯后值受控于VREF電壓和施加于HYSTP和HYSTN引腳電壓之間的電壓差。圖7A和7D顯示了兩種可能的滯后連接。如果一個滯后引腳被直接連接到VREF電壓,那部分滯環就會被刪除。參考圖6,滯后電壓值約為20mV:

由于滯后電壓獨立于VTH電壓,因此R5和R6不要求是精密電阻。無需改變VTH值,滯環寬度要多寬就可以多寬。

本文重點介紹了精密比較器(比如LMP7300)如何能利用外部反饋電阻產生滯后效應,來克服現有比較器中常見的門限和滯后交互問題。

作者:Walter Bacharowski

放大器應用經理

國家半導體公司