技术干货｜解决比较器的主要挑战：超出输入共模范围

输入共模电压范围（通常缩写为 VCM 或 VICR）这一术语在模拟领域得到广泛认可，但在比较器领域却难以让人理解。对于放大器，VCM 定义为施加到两个输入端的平均电压。但是对于比较器，其含义完全不同。

比较器的正常运行意味着两个输入端交叉，从而导致输出发生变化。我们来分析一下图 1 所示的同相比较器配置，其瞬态行为如图 2 所示。

图 1：同相比较器配置

图 2：同相比较器瞬态行为

在图 2 中，如果同相端（橄榄绿色）电压大于反相端（红色）电压，则输出（绿色）为高电平。如果反相端电压大于同相端电压，则输出为低电平。比较器的输入 VCM 是两个输入电压相互交叉的开关点。仍可确保正常运行的开关点电压范围称为比较器的输入 VCM。

表 1 显示了 LM393 的 VCM，其范围为负电源电压 V– 至低于正电源电压 V+ 1.5V 或 2V，具体取决于器件的温度。

表1：来自 LM393 数据表“表 6.7 电气特性”

比较器的输入级限制了输入 VCM。让我们首先看一下 TL331 数据表中的功能方框图（图 3）。输入级包含一个 P 沟道、N 沟道、P 沟道 (PNP) 差分对，其发射极连接到一个电流源。为了使差分对上的 PNP 晶体管导通，发射极到基极需要存在电压降 (VEB)（对于 N 沟道、P 沟道、N 沟道配置，为基极到发射极压降 [VBE]）。

图 3：TL331 功能方框图

电流源通常是电流镜，如图 4 所示。要使电流源工作，Q2 的发射极至集电极电压需要超过最小正向有效电压要求 (VEC (Sat))。

图 4：PNP 电流镜

随着比较器输入电压的增加，可满足差分对晶体管的 VEB 导通和电流镜晶体管的 VEC (Sat) 的余量越来越小。当这种情况发生时，VEC 开始减小，而 VEB 仍然保持稳定。当 VEC (Sat) 不超过 Q2 时，电流镜的电流产生能力显著降低，因此一些比较器的 VCM 会上升到低于电源电压的值。其他具有 NPN 晶体管输入级的器件指定的 VCM 范围为某个值至正电源电压。

数据表中的 VCM 值考虑了跨工艺、电压和温度 (PVT) 的性能。回顾图 4 中的 TL331 示例，可知 VBE 和 VCE 随温度波动。

图 5、6 和 7 显示了 LM393 在与图 1 类似的同相配置下的性能。在这种情况下，电源电压设置为 5V。100Hz、1 Vpp、3.9 VDC 斜坡波形（黄色）连接到同相端，同时将 3.9 VDC 基准信号（紫色）施加到反相端。这是一个应用示例，其中 3.9V 的开关点超出了 VCM 的范围；对于该电源，兼容的 VCM 为 3V 或更低。

在室温下，比较器在超过 3.9V 时工作并切换，如图 5 所示。比较器在温度升高时也能工作，如图 6 所示。当冷却器件时，它开始出现故障，如图 7 中的输出（绿色）所示。

图 5：LM393 在 VCM 范围之外的室温性能

图 6：LM393 在 VCM 范围之外的高温性能

图 7：LM393 在 VCM 范围之外的低温性能

当降低输入电压以确保开关点处于器件的 VCM 范围之内时，该器件在所有温度范围内都能正常工作。斜坡波形现在处于 2V 的较低直流失调电压（以 2V 为基准），确保开关点处于 VCM 范围之内。图 8、9 和 10 显示了 LM393 如何在整个温度范围内正常工作。

图 8：LM393 在 VCM 范围之内的室温性能

图 9：LM393 在 VCM 范围之内的高温性能

图 10：LM393 在 VCM 范围之内的低温性能

可通过单个单元获取所有这些示波器捕获。如果要测试另一个 LM393 样片，则指定 VCM 范围之外的性能可能会有所不同。在室温下，VCM 上限可能与所测试的单元不同。这称为工艺偏差，其中性能可能会因批次差异或不一致的制造工序而有所变化。

该偏差的最后一个部分是电压偏差。在不同的电源电压下，器件的行为可能会有所不同。在图 6、7 和 8 的设置中，如果电源电压增加到允许的 36V 上限，且发生同样的超出 VCM 范围的情况，则性能可能会有所不同。在使用比较器设计系统时，必须使输入处于 VCM 范围之内，以避免这些问题。

当任一输入超出范围时，输入 VCM 可能会导致器件无法正常工作。超出该范围会导致比较器输入级的偏置出现问题。请谨记，如果一个或两个输入端电压处于数据表规格之外，则超出了 VCM 的范围。即使系统在超出 VCM 范围的情况下能够正常工作，它也可能在不同的电源电压、工作温度下或更换集成电路时无法正常工作。在创建使用比较器的系统时，应使每个输入信号处于输入 VCM 的数据表规格范围之内，以维持 PVT 的功能。