常見(jiàn)的運(yùn)算放大器電路,運(yùn)算放大器進(jìn)行集成,而實(shí)用的運(yùn)算放大器微分器則用途廣泛,我們研究了一些經(jīng)典的運(yùn)算放大器電路。這些電路使用負(fù)反饋,通常可使運(yùn)算放大器在線性區(qū)域內(nèi)工作。
但是,運(yùn)算放大器也可以用作比較器,這會(huì)使它們非線性工作。輸入被硬驅(qū)動(dòng),輸出電壓猛烈地?fù)粝?a target="_blank">電源軌。正如我們將看到的那樣,這可能并不總是一種好的設(shè)計(jì)方法。
走向非線性
在線性應(yīng)用中,理想的運(yùn)算放大器假設(shè)適用:無(wú)限的增益和帶寬,零輸出阻抗,無(wú)限的輸入阻抗以及輸入之間的零伏。運(yùn)放還可以以非線性方式使用,并且需要特別注意和處理。
一種常見(jiàn)的配置是僅使用運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)(無(wú)反饋),并使其高增益產(chǎn)生比較器操作。沒(méi)有負(fù)反饋,兩個(gè)輸入將不一定保持相同的電壓,因此第四個(gè)理想運(yùn)算放大器假設(shè)無(wú)效。
圖1顯示了開(kāi)環(huán)配置的運(yùn)算放大器。當(dāng)VIN大于零時(shí),輸??出電壓升高,并被限制在正電源電壓附近。當(dāng)輸入電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí),運(yùn)算放大器輸出將擺動(dòng)為負(fù)值,再次限制在負(fù)電源電壓附近。在這里,我們假設(shè)運(yùn)算放大器由常規(guī)的正負(fù)電源電壓供電。
圖1運(yùn)算放大器用作零閾值電壓的比較器。
上面的比較器電路在零伏附近工作。圖2在電路中增加了一個(gè)電阻分壓器,以設(shè)置反相輸入端的電壓,從而提供了一種控制比較器參考電壓VREF的方法。
圖2帶有電阻分壓器的運(yùn)算放大器比較器可設(shè)置閾值電壓。
圖3顯示了另一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)技術(shù),該技術(shù)會(huì)向比較器添加遲滯。在這種情況下,輸入電壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的反相輸入,而VREF連接至同相輸入。R1R2電阻分壓器從輸出VOUT產(chǎn)生VREF。當(dāng)VIN降至VREF以下時(shí),輸出電壓升高,導(dǎo)致VREF移至更高的電壓。
圖3運(yùn)算放大器比較器電路通過(guò)正反饋來(lái)增加磁滯。
同樣,當(dāng)VIN轉(zhuǎn)換為高于VREF時(shí),VOUT變?yōu)樽畲筘?fù)輸出電壓,從而將VREF拉低。這種滯后效應(yīng)可防止輸入信號(hào)上存在的任何噪聲在轉(zhuǎn)換通過(guò)VREF時(shí)不會(huì)使比較器工作反向。
圖4中的多諧振蕩器電路使用圖3中的R1 R2磁滯電路以及RC定時(shí)電路來(lái)產(chǎn)生方波輸出。實(shí)際上,它不是比較器電路。取而代之的是,它將運(yùn)算放大器用作比較器以創(chuàng)建所需的輸出波形。假設(shè)VOUT以高電壓開(kāi)始,因此它通過(guò)R3為C充電。電容器電壓將增加,同時(shí)與時(shí)間常數(shù)R3 C保持一致。
圖4多諧振蕩器電路添加了RC定時(shí)電路以產(chǎn)生方波輸出。
當(dāng)電容器電壓大于VREF時(shí),輸出電壓將擺動(dòng)至負(fù)電源電壓。這導(dǎo)致電容器電壓被驅(qū)動(dòng)為負(fù),再次與時(shí)間常數(shù)R3 C一致。R1 R2分壓器在同相輸入上提供了一些滯后,從而使運(yùn)放平穩(wěn)過(guò)渡。有關(guān)組件值如何確定多諧振蕩器頻率的詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)4。
但是有問(wèn)題
網(wǎng)上有很多關(guān)于這類(lèi)非線性運(yùn)算放大器電路的文章。但是,當(dāng)我檢查IC供應(yīng)商的網(wǎng)站時(shí),我注意到他們強(qiáng)烈警告不要將運(yùn)算放大器用作比較器[參考1和參考2]。引用的主要問(wèn)題是:
某些運(yùn)算放大器的輸入上具有鉗位二極管,它們限制了兩個(gè)輸入之間的最大電壓。這可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)或選擇其他運(yùn)算放大器來(lái)解決。
比較器應(yīng)用程序?qū)⑦\(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。從飽和狀態(tài)恢復(fù)可能很慢,通常不指定。
大多數(shù)運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅可能接近正負(fù)電源電壓。可能會(huì)指定也可能不會(huì)指定,并且可能無(wú)法很好地控制。
與為該特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的“真實(shí)比較器”相比,運(yùn)算放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間趨于變慢。
通常不將運(yùn)算放大器的輸出設(shè)置為驅(qū)動(dòng)數(shù)字邏輯,因此可能需要其他電路來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)一個(gè)運(yùn)放中有一個(gè)剩余放大器時(shí),使用運(yùn)放作為比較器的主要論據(jù)就出現(xiàn)了。畢竟,它只是免費(fèi)坐在那里,等待使用。如果您決定采用這種方法,則需要對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行仔細(xì)研究,并評(píng)估實(shí)際電路性能。確保運(yùn)算放大器電路具有相當(dāng)大的內(nèi)置余量。
非線性運(yùn)算放大器操作的這些考慮因素也可能有助于我們理解線性應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題。運(yùn)算放大器的輸出被驅(qū)動(dòng)到電源軌時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況?如果是這樣,恢復(fù)需要多長(zhǎng)時(shí)間?這對(duì)電路的性能有影響嗎?
這就是為什么IC供應(yīng)商建議您使用真實(shí)的比較器而不是運(yùn)算放大器的原因。畢竟,將比較器設(shè)計(jì)為比較器。它具有指定的開(kāi)關(guān)特性和輸出驅(qū)動(dòng)器,通常設(shè)置為驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)備。有許多經(jīng)濟(jì)的設(shè)備可供選擇。
鮑勃·威特(Bob Witte)是技術(shù)咨詢公司Signal Blue LLC的總裁。
參考
“運(yùn)算放大器用作比較器-可以嗎?” Bruce Trump,德州儀器(TI),2012年3月
“使用運(yùn)算放大器作為比較器,”詹姆斯·布萊恩特(James Bryant),ADI,應(yīng)用筆記AN-849,2011年
“我應(yīng)該使用運(yùn)算放大器作為比較器嗎?” Janet Heath,《模擬IC技巧》,2016年11月
運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè),布魯斯·卡特(Bruce Carter)和托馬斯·布朗(Thomas R.Brown),德州儀器(TI),2016年9月
面向所有人的運(yùn)算放大器,羅恩·曼奇尼(Ron Mancini),編輯,2002年8月
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