为什么不建议你把运算放大器当作比较器去用?这些弊端你需要知道

原创 硬件那点事儿 2025-02-12 08:04

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Part 01

前言

比较器可以对两个输入信号进行比较,并输出一个数字信号来反映它们之间的大小关系。我们可以用比较器进行阈值检测,比如检测输入信号是否达到或超过某个预设的阈值。例如,在温度、压力等传感器电路中,当检测到信号超过安全阈值时,比较器会输出高电平,从而触发报警或其他控制措施。也可以用比较器做零交叉检测,也就是过零检测,用于检测交流信号的零交叉点,即信号从正向负或负向正转换的时刻,可以用在同步控制、调制解调及电源管理等电路中。还可以引入迟滞,可以避免由于噪声或微小信号波动引起的频繁切换,可以使得输出在某个范围内保持稳定,增强系统的抗干扰能力。
很多人分不清比较器和运算放大器的,因为这俩实在是太像了,那运算放大器能用作比较器吗?有什么弊端吗?还是说一定要用专门的比较器呢?

Part 02

运算放大器和比较器的区别

最基本的比较器电路就是下面这样:

比较器的工作原理可以用下面的公式来描述:

当V+>V-时,输出通常饱和于正电平(例如接近正电源电压)。

当V+

乍一看,把上面的比较器换成运算放大器也行呀,事实并非如此。
为了确保在负反馈配置下工作的稳定性和良好的相位裕度,大多数运算放大器内部集成了补偿网络(内部补偿电容)。这种补偿虽然有助于稳定线性放大,但同时限制了运算放大器的带宽和瞬态响应速度。补偿网络的存在使得运算放大器在开环状态下切换速度较慢,不适合高速比较应用。专门的比较器芯片通常工作在开环状态下,其设计目标是快速决策,因此内部一般不需要复杂的频率补偿网络,或只采用简单措施以防止过冲和振荡。
运算放大器一般采用推挽式输出级,以提供连续的模拟电压输出,适用于线性工作。许多比较器采用开集电极或开漏结构(当然也有推挽结构),这种设计便于与数字逻辑电路直接对接,同时通过外部上拉电阻设置合适的电平。

运算放大器在没有负反馈时可以作为比较器工作,但其响应速度和饱和恢复时间通常不如专用比较器,这在高速切换的场景里就不适合了。对于简单、对切换速度要求不高的应用场合,可以使用运算放大器作为比较器可以满足基本需求。但在需要高速响应、稳定数字输出和抗干扰能力较强的应用中,专用比较器芯片会是更好的选择。

Part 03

几种比较器电路拓扑

1.同相比较器电路
2.反相比较器电路
3.窗口比较器电路
4.反相迟滞比较器电路
5.同相迟滞比较器电路

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