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Lack of comparators, op amps come to the rescue!(Op amp is recorded as a comparator circuit)

2022-08-10 13:53:00 【InfoQ】

电路小课堂,结合实际聊一聊使用运放做比较器的例子... by 矜辰所致

前言

最近做了一个小项目,因为一个比较器缺货,出了点小问题,花了点时间最后使用了一个运放临时代替了比较器,把问题解决了.

因为这个问题,让我想起以前做过使用运放代替比较器的例子,然后想着

本期的电路小课堂,就来简单聊聊如何使用运放当比较器以及需要注意的事情.

一、运放和比较器

原理应用说明之类的那些东西属于基础问题,不是本文的重点,我们以简单的方式说明.

1.1 简介

比较器：

先说简单的比较器,实在不想画图,把以前的笔记贴出来= =！凑合着看看吧：

可以看出来,比较器的作用就是比较两个输入端的电压高低,在电路中比较两个电压的一般的电路应用为（我们这里还没有讲到输出端,后面文章会说么,这只是示意图）：

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器.

运算放大器：

运算放大器相对来说比电压比较器复杂得多,如果有时间,我会单独的开一片文章来说明.本文不做过多的基本介绍.

运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路,其输入级是差分放大电路,具有高输入电阻和抑制零点漂移能力;中间级主要进行电压放大,具有高电压放大倍数,一般由共射极放大电路构成;输出极与负载相连,具有带载能力强、低输出电阻特点.

运算放大器采用差分输入,而且具有较高增益,这与比较器的特性相似,所以在实际应用中可以作为低性能比较器使用.

要把运放当比较器使用,那么运算放大器是以开环回路的方式工作的.

实际上最常用的运放电路都是闭环电路.

什么是开环闭环？

开环电路是不接入反馈的电路,输出端不会影响到输入端.

闭环电路是接入反馈的电路,也就是输出端会影响到输入端.

那么对运放来说,接入反馈电阻是闭环电路,不接入是开环电路.

我们上面已经画了比较器的应用电路示意,对于比较器而言,他常用的基本电路为闭环的反馈电路,如下图：

1.2 输出端

要合理的把运放当做比较器来使用,它们的输出端 Vout 需要特别的注意.

运算放大器的输出一般是推挽比较多,而比较器的输出开漏（开集）比较多,现在也有很多推挽输出的.

推挽输出,可以很容易的输出高低电平;

开漏（OC/OD门）输出最主要的特性就是高电平没有驱动能力,需要借助外部上拉电阻才能真正输出高电平.

所以,在选择运放或者比较器的时候要注意它们的输出是何种输出方式,不同的输出方式电路的使用也不相同.

我们找个比较器来举个例子,比如 TI 的 LMV723X,我没用过,实际只是为了写文章再网上搜索的,在其文档中有型号和输出的说明：

对于开漏输出：

我们在使用的时候,电路一般会采用如下形式：

对于推挽输出：

我们在使用的时候,输出端可以不加上下拉电阻（在某些时候可以加个二极管,比如比较器输出并联的时候）：

那么我们在使用运放替代比较器的时候,先要查看电路当初的设计是开漏输出还是推挽输出,如果是推挽输出可以直接替换,如果是开漏输出,是需要经过一定的处理的.

1.3 运放当做比较器注意事项

这里借用一下百度百科的说明,实践中,与使用专用比较器相比使用运放比较器有以下缺点：

响应速度比真实比较器慢,
运放被设计为工作在有负反馈的线性段,因此饱和的运放一般有较慢的翻转速度.大多数运放中都带有一个用于限制高频信号下压摆率的补偿电容.这使得运放比较器一般存在微秒级的传播延迟,与之相比专用比较器的翻转速度在纳秒量级.

运放没有内置迟滞电路,需要专门的外部网络以延迟输入信号.

运放的静态工作点电流只有在负反馈条件下保持稳定.当输入电压不等时将出现直流偏置.

比较器的作用为数字电路产生输入信号,使用运放比较器时需要考虑与数字电路接口的兼容性.

多节运放的不同频率间可能产生干扰.

许多运放的输入端有反向串联的二极管.运放两极的输入一般是相同的,这不会造成问题.但比较器的两极需要接入不同的电压,这就可能导致意想不到的二极管的击穿.

实际上,如果做一些普通的民用传感器,除了要注意输出电路的处理,其他问题都不算是问题.

至少博主所在的一些民用传感器领域,一些产品案例还没有说出现什么问题的.

二、电路记录

上面说了那么多,简单使用几个方案例子说明,也同时作为我自己的方案记录,因为涉及到一些问题,所以我把电路中的阻容大小都处理掉了,但是对于原理和知识的说明并不受影响.

2.1 一个得意的方案替换

我们来看一个电路：

电路中使用了2个比较器,2个运放,最后通过比较器的输出直接连接 MCU 的IO口：

在上图中也说到过,因为 LPV521 和 MAX920 这两颗物料又贵又缺料,所以产品得升级,最后使用了一个便宜的 4路运放直接替代了上面的方案：

结合上面文章的分析,再通过上面这个电路就已经可以说明很多问题了.

2.2 一些细节的再次说明

上面方案是前些年完成的,最近在做一个更简单的方案的时候,也没多想,直接就画了下面这个图,是的,还是同样的芯片,电路更简单了：

但是设计的时候没想太多,直接设计成如下方式：

使用了一个微功耗比较器 RS8901XF ,测试什么的都正常,做小批量样品的时候,因为 RS8901XF 缺货,所以选用了另外一个信号的比较器,发现就出问题了.

原因就是没有注意后来选用的比较器的输出,如果是开漏输出那么这个电路是不能使用的.最后使用了一个运放替换 COP1 ,样品就测试正常！

现在想想,这个方案不应该这么设计,直接使用标准的比较器,也不需要二极管,只使用一个上拉电阻 R4 ,直接把比较器的输出接到 MCU 对应的 IO 口才是最简洁的办法！！！

当然上图中的二极管也有点多余的样子,第一种方案是因为2路输出并联,必须得需要二极管,而这里单路输出,是可以不需要二极管的！

结语

好了,本文主要是为了说明一下博主自己曾经使用运放做比较器的实际案例.

现在回头来看,一般情况下,如果可以,运放还是做运放,比较器还是选专门的比较器.但是在某些时候,比如我上面记录中的第一个方案,把运放当成比较器,也是个不错的选择.

* 当然,虽然我说过一般情况一般产品问题不大,但是还是要多测试,电路设计,除了理论知识,实践必不可少！！*

好了,本文就到这里,谢谢大家！

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