與基于直流電壓/極低頻的比較器應用相比，高頻比較器應用需要額外的參數和考慮因素以提供更好的信號處理效率。與直流電壓應用一樣，在高頻應用中，也使用運算放大器代替比較器。但是，在高頻信號處理期間，運算放大器不會表現出與直流信號輸入相同的性能。在將運算放大器用于高頻比較器應用之前，設計人員應該知道不同的運算放大器參數在不同的頻率范圍內是如何變化的。

DC和高頻信號的運算放大器性能有何不同？

要了解運算放大器的高頻現象，需要對運算放大器的內部結構進行分析。LM324運算放大器的內部原理圖如下圖1所示，LM339比較器的內部結構如圖2所示。

圖 1：LM324 運算放大器的內部結構

圖 2：LM339 比較器的內部結構

通過比較這兩個數字，我們可以發現，除了晶體管和電源，運算放大器中還有一個電容器，而在比較器中，電路內部沒有電容。運算放大器內部的電容器“ Cc ”稱為“補償電容器”，它定義了給定運算放大器的高頻操作。在各種高頻操作參數中，增益是任何應用中任何運算放大器最重要的參數。對于比較器應用，運算放大器將使用運算放大器的最大增益，并且由于頻率導致的增益變化是比較器應用中運算放大器的第一個顯著參數。

LM324運算放大器的不同頻率信號的增益變化可以在圖3所示的開環頻率響應曲線中找到。

圖 3：開環頻率響應

根據開環頻率響應的數據表曲線，我們可以發現運算放大器的增益隨著頻率的增加而降低。對于 10Hz 以下，開環可以提供最大增益，在 1MHz 附近，增益為 0dB （1V/V）。在這種情況下，輸出電壓僅等于反相和非反相端電壓之差。此外，從圖 4 所示的 LM324 運算放大器的大頻率響應來看，輸出電壓擺幅隨著頻率的增加而減小。在圖 4 中，對于 15V Vcc，我們可以從 LM324 Op-Amp 獲得 13.5V 的最大輸出，而如果信號頻率為 10kHz，則輸出電壓僅為 10V，而在 100kHz 時，輸出電壓約為 1V。因此，與直流應用一樣，僅考慮器件的額定電壓，比較器不能直接被運算放大器取代。

圖 4：大頻率響應

示例電路：使用鋸齒波和直流參考信號的 PWM 發生器

PWM 發生器電路是電力電子控制應用中使用最廣泛的電路，其中固定頻率的鋸齒波形與直流電壓進行比較，并根據直流電壓的大小改變 PWM 占空比。

圖 5：高頻比較器應用示例

在本例中，非反相輸入 （V+） 采用鋸齒波。鋸齒波的低電平電壓（V+）為0V，峰值電壓為0.5V。反相輸入 （V-） 直流電壓波形在 0V 至 0.5V 之間變化。如果反相輸入 （V-） 為 0V，則輸出始終為高電平 （Vcc） 或 100% 占空比。如果反相輸入電壓大于或等于 0.5V，則輸出電壓為零或 Vee。在此示例中，反相輸入電壓保持在 0.2V，LM339 比較器的響應輸出響應如圖 7 所示，相應的電路如圖 6 所示。

圖 6：使用 LM339 比較器的 PWM 發生器電路

圖 7：使用 LM339 比較器的 PWM 發生器電路的輸出響應 – 10KHz

LM339 的 PWM 發生器電路按預期工作得更好，對于 5V Vcc，輸出最大電壓等于 Vcc，較低的電壓等于 120mV 左右。根據數據表規格，120mV 幾乎與典型的低電壓電平相匹配。

表 1：LM339 低電平輸出電壓數據表規格

使用 LM324 運算放大器的同一電路的響應如下圖所示。

圖 8：使用 LM324 比較器的 PWM 發生器電路的輸出響應 – 10KHz

與使用 LM339 比較器的響應相比，使用 LM324 實現的比較器電路產生了不同的響應。如圖 9 所示，通過將這兩個輸出響應放在一個窗口中，我們可以發現兩個主要的不匹配。

1） 輸出電壓電平

2）運算放大器響應的上升時間和下降時間

就輸出電壓電平而言，比較器總是產生等于 Vcc 的輸出電壓，在極少數情況下，它可能會低于或高于 200mV。但是對于運算放大器，最大輸出電壓擺幅相對小于 Vcc。LM324 的輸出電壓擺幅如下表所示。根據數據表規范，5V - Vcc LM324 Op-Amp 輸出的最大輸出電壓僅為 3.5V。因此，在用運算放大器替換比較器時，設計人員必須檢查運算放大器的輸出電壓擺幅是否符合要求。

表 2：LM324 輸出電壓擺幅

圖 9：LM339 和 LM324 輸出響應比較——10KHz

最終確定運算放大器可用作比較器的最重要參數是運算放大器的“轉換速率”。運算放大器的壓擺率定義為輸出信號達到其幅度的 10% 到幅度的 90% 所需的時間，通常以 V/us 關系表示。根據數據表，LM324 運算放大器的單位增益壓擺率為0.5V/us。

表 3：LM324 壓擺率額定值

在將運算放大器用于應用之前，特別是對于高頻比較器應用，壓擺率要求應根據以下公式計算

轉換速率 （V/s） = 2.π.fV

這里 f = 頻率，如果要處理的信號以 Hz 為單位

V – 輸出信號的峰峰值電壓

在我們的應用中，我們需要處理一個 10kHz 頻率的信號，輸出峰峰值電壓為 5V。因此，對于此要求，運算放大器所需的最小壓擺率為：

轉換速率 （V/s） = 2x3.14x10000x5 = 314000 V/s

在運算放大器數據表中，壓擺率以 V/uS 表示，將上述結果轉換為 V/us 得到 =》 0.314V/uS。另一個需要考慮的重要參數是獲得的壓擺率僅適用于單位增益（輸入電壓差和輸出電壓相等），并且壓擺率響應將基于更高的增益而降低（作為比較器的運算放大器將在更高的增益級）。因此，在使用運算放大器比較器應用時，壓擺率應高于計算得到的完美輸出要求。

在選定的應用中，所需的壓擺率是 0.314V/us，數據表值是 0.5V/us，單位增益， 這對于這個比較器應用來說非常低，應該用高壓擺率 Op 替換 LM324 運算放大器-放大器。

除了壓擺率以獲得更好的高頻輸出外，還應根據信號頻率降低峰值輸出電壓，如圖 4 所示。使用 LM339 比較器和 LM324 運算放大器的 100 kHz 信號的輸出響應如圖所示圖 10。

圖 10：LM339 和 LM324 輸出響應比較 – 100KHz

在 100kHz 時，我們可以清楚地了解運算放大器替代比較器。對于 100kHz 操作，LM339 比較器仍能以極短的上升和下降時間產生所需的輸出信號。但是，基于LM324 運算放大器的比較器輸出不再是 PWM 波形。由于運算放大器內部的Cc - 補償電容器會降低較高頻率的增益，因此基于運算放大器的比較器電路作為“低通濾波器”而不是比較器運行。對于 100kHz 頻率，所需的 Slew Rate 也是 3.14V/us，無法與 LM324 Op-Amp 匹配。

為了滿足這一要求，必須更換高壓擺率和高帶寬運算放大器而不是 LM324。

結論

對于比較器應用，最好使用比較器而不是運算放大器。如果將比較器替換為用于 DC 和極低頻信號的運算放大器，則輸出電壓擺幅、共模電壓、差模電壓、輸出配置和驅動電流是分析時應采用的重要參數。然而，如果應用是高頻，除了上述幾點之外，運算放大器帶寬、壓擺率和傳播延遲是主要的決策參數。還添加了與定義不同頻率下的壓擺率計算的峰值電壓相關的大信號響應，對于更高的壓擺率，運算放大器的工作電流消耗也更高，從而增加了運算放大器的功率要求。由于運行功率的增加，