比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。在許多情況下,如方脈沖整形電路中,電壓比較的精度不是很關(guān)鍵,電壓值可以在幾百毫伏范圍內(nèi)變化而不影響電路性能。然而,也有許多應(yīng)用要求非常精確的比較電壓,而且這些電壓要求具有很小的漂移,不會(huì)與遲滯電路發(fā)生交互影響。本文討論了將普通比較器應(yīng)用于精密電壓檢測(cè)時(shí)遇到的問題,并介紹了一款新的能夠克服這些問題的精密比較器。
普通比較器
比較器是一種高增益放大器,可以放大輸入端很小的差分信號(hào),并驅(qū)動(dòng)輸出端切換到兩個(gè)輸出狀態(tài)中的一個(gè)。圖1是基本的比較器電路,可以用在反相或同相配置中。輸入信號(hào)與門限電壓VTH進(jìn)行比較,輸出端根據(jù)輸入信號(hào)是小于還是大于VTH而改變其狀態(tài)。
圖1B和1D給出了比較器電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)。同相比較器被定義為在輸入信號(hào)大于門限電壓時(shí)輸出為正的比較器,而反相比較器被定義為輸入信號(hào)大于門限電壓時(shí)輸出為負(fù)的比較器。
圖1:同相與反相比較器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。
比較器的增益決定了將輸出驅(qū)動(dòng)到高或低輸出狀態(tài)所要求的差分輸入電壓。例如,如果比較器的增益為80dB,即10,000倍,并且供電電壓為5V,那么把輸出驅(qū)動(dòng)為高或低狀態(tài)所需的輸入差分電壓只需。這種情況下,很容易因?yàn)樾盘?hào)上或比較電壓VTH上的噪聲而在比較器輸出端產(chǎn)生多次狀態(tài)變化的問題。
圖2中的示波器圖形,顯示了一個(gè)有較小噪聲的輸入信號(hào)、以及它對(duì)圖1C所示的反相比較器輸出狀態(tài)的影響。在圖2中,綠色線條代表的是輸入信號(hào)VS,藍(lán)色線條代表的是門限電壓VTH,而黃色線條代表的是比較器的輸出VO。
圖2所示的比較器輸出信號(hào)下降沿的波動(dòng)可以利用正反饋消除,因?yàn)檎答伩梢杂脕碓黾颖容^器的滯后效應(yīng)。圖3給出了圖1所示比較器的應(yīng)用原理圖,其中反饋電阻Rf和Ri增加的正反饋和滯后功能也顯示于轉(zhuǎn)換函數(shù)的圖形中。
圖2:沒有滯后的比較器信號(hào)。
圖3:帶滯后效應(yīng)的同相與反相比較器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
正反饋增強(qiáng)了信號(hào)電壓與轉(zhuǎn)變點(diǎn)參考電壓VTH之間的差異,并產(chǎn)生兩個(gè)門限值:一個(gè)用于正方向變化的輸入信號(hào),一個(gè)用于負(fù)方向變化的信號(hào)。它們?cè)趫D3中分別被標(biāo)記為L(zhǎng)STV(下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓)和USTV(上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓)。滯后功能將抑制小于滯環(huán)寬度的噪聲幅度,并阻止出現(xiàn)多次輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
討論具有滯后功能的比較器需要引入一個(gè)新的術(shù)語(yǔ):狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓,它被定義為導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)的實(shí)際信號(hào)電壓值。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓有兩個(gè)獨(dú)特的值,具體取決于比較器輸出電壓；VTH是門限電壓(或閥值電壓),也是理想的比較電壓。
STV即狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫,它是輸出狀態(tài)改變時(shí)的信號(hào)電壓。STV有兩個(gè)值:
·USTV,即上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫,是比門限電壓更大的STV。
·LSTV,即下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的縮寫,是比門限電壓更小的STV。
圖4中的示波器圖形是圖3中的反相比較器增加了滯后功能后的效果。其中綠色線條代表的是輸入信號(hào)VS,黃色線條是輸出信號(hào)VO,而藍(lán)色線條是比較器+IN引腳上的電壓。該圖顯示了增加滯后功能后門限電壓的階躍函數(shù),從而產(chǎn)生了USTV和LSTV。
圖4:帶滯后效應(yīng)的反相比較器。
在該圖中,輸入信號(hào)已經(jīng)被稍稍向上偏移了一些,以便展示滯后步驟的細(xì)節(jié)。
雖然滯后可以消除狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的輸出波動(dòng),但狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的實(shí)際值的精度將有所下降。沒有滯后效應(yīng)時(shí),VTH、USTV和LSTV的值是相等的。
有了滯后功能后,USTV和LSTV將受到反饋電阻精度、比較器輸出飽和電壓、VTH值以及任何與信號(hào)源或門限電壓源有關(guān)的源阻抗的影響。
參考圖3A,該圖顯示的是不帶滯后功能的同相比較器,+IN引腳上的電壓等于等式1:
等式1忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。輸出電壓VO有兩個(gè)值,一個(gè)是VOL,即輸出低飽和電壓,一個(gè)是VOH,即輸出高飽和電壓,因此+IN電壓有兩種計(jì)算結(jié)果。輸出飽和電壓值在大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有規(guī)定。狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓是輸入信號(hào)VS在+IN=VTH時(shí)的值。
等式2給出了同相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓:
等式3給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓:
圖3C是帶滯后功能的反相比較器,+IN引腳上的電壓等于等式4:
等式4也忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。
等式5給出了反相下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓:
等式6給出了同相上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓:
拿同相比較器為例,等式2和3可以用來計(jì)算一系列曲線以表明這種滯后效應(yīng)對(duì)實(shí)際狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的影響,以及圍繞VTH的滯后電壓位置。
圖5是VTH在0到5V范圍內(nèi)變化時(shí)得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓圖。該圖疊加了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖5:同相比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓。
標(biāo)記為+IN=VTH的黃線是+IN=VTH時(shí)的圖形,它代表了比較器輸入端的電壓,是比較器輸出端改變狀態(tài)時(shí)的點(diǎn)組成的曲線。
標(biāo)記為USTV的綠線以及標(biāo)記為L(zhǎng)STV的藍(lán)線分別是上位和下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的圖形。
這些值是在+IN等于VTH、Rf=100kW、Ri=20kW、VOL=和VOH=時(shí)用等式2和3算出來的。這里選用了正反饋的較大值以便清晰地表明結(jié)果。在電路工作期間,當(dāng)VS信號(hào)高于上位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時(shí),比較器的輸出將切換到高輸出狀態(tài)；當(dāng)VS低于下位狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓時(shí)比較器的輸出則切換到低輸出狀態(tài)。
這帶來的主要影響是當(dāng)門限電壓值變化時(shí)滯后效應(yīng)不對(duì)稱。滯后曲線的位置不是以門限電壓為中心(只有一個(gè)點(diǎn)例外)并且取決于VTH。
對(duì)有些比較器應(yīng)用而言,狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓的精度不是關(guān)鍵,但還是有許多應(yīng)用可以從精確、容易受控的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓受益。
“劑量調(diào)節(jié)”就是這類應(yīng)用之一,其中的“劑量(Dose)”是速率的積分。例如,如果一個(gè)管道中的液體流速為每分鐘1加侖,那么劑量或一定時(shí)間間隔內(nèi)液體的總量就是總液體數(shù)量或這段時(shí)間內(nèi)流動(dòng)速率的積分。
作為本例的一個(gè)具體應(yīng)用是醫(yī)療X射線放射量測(cè)定,它用于控制X射線膠片的曝光。在X射線診斷過程中,對(duì)X射線膠片進(jìn)行精確地曝光控制有助于減少病人接受的X射線。
針對(duì)這個(gè)應(yīng)用的電路如圖6所示。
圖6:具有可編程曝光功能的X射線放射量測(cè)定器。
該電路由兩個(gè)功能組成:一個(gè)是電離室,它能檢測(cè)X射線,并產(chǎn)生正比于X射線強(qiáng)度的電流IIC；另一個(gè)是由放大器A1和電阻RF組成的跨阻放大器(TIA),用來將電離室電流轉(zhuǎn)換成電壓:
Dose = IIC x RF
放大器A1是針對(duì)非常低輸入偏置電流(典型3fA)設(shè)計(jì)的LMP7721,它非常適合放大源阻抗較高的信號(hào),如電離室。放大器A2是一個(gè)用來測(cè)定劑量的積分器,它是劑量速率的積分:
當(dāng)引腳1的積分器輸出與引腳2的門限電壓相等時(shí),比較器LMP7300會(huì)指示所需劑量已達(dá)到。
在這類應(yīng)用中,所需劑量取決于多種因素,如被照射X射線的物體密度。
圖6中的12位DAC用來設(shè)置比較器的門限電壓。LMP7300具有一個(gè)精確穩(wěn)定的參考電壓,這個(gè)參考電壓被放大器A3放大到,并成為DAC的電壓參考,而DAC則向LMP7300比較器提供可編程門限電壓。
該應(yīng)用的另一個(gè)特點(diǎn)是使用LM2787和LM285-2.5為放大器A1和A2產(chǎn)生的供電電壓。這個(gè)很小的負(fù)電壓可以使放大器輸出擺幅為0V,并根據(jù)速率和劑量信號(hào)改變放大器A1和A2的輸出飽和電壓到0V左右。
用于這類應(yīng)用的比較器需要具有一個(gè)精確門限電壓,該門限電壓要能在一定范圍內(nèi)是可編程的,以便優(yōu)化膠片曝光。門限電壓應(yīng)獨(dú)立于滯后電壓值、門限電壓值、比較器的輸出飽和電壓和反饋電阻容差。像LMP7300這樣的精密比較器就可以提供這些性能。具有獨(dú)立比較器功能和滯后控制功能的LMP7300如圖6所示。
另外,控制USTV的正向滯后和控制LSTV的反向滯后電路都具有獨(dú)立的控制輸入。這個(gè)重要特點(diǎn)如圖7所示,該圖給出了輸入信號(hào)和滯后控制組合下的比較器轉(zhuǎn)換函數(shù)。這個(gè)比較器有效地將代表了理想比較電壓的門限電壓與USTV和LSTV分開來,從而在提供精確信號(hào)比較的同時(shí)仍能提供滯后功能。
圖7:LMP7300獨(dú)立的滯后控制功能。
LMP7300的滯后值受控于VREF電壓和施加于HYSTP和HYSTN引腳電壓之間的電壓差。圖7A和7D顯示了兩種可能的滯后連接。如果一個(gè)滯后引腳被直接連接到VREF電壓,那部分滯環(huán)就會(huì)被刪除。參考圖6,滯后電壓值約為20mV:
由于滯后電壓獨(dú)立于VTH電壓,因此R5和R6不要求是精密電阻。無(wú)需改變VTH值,滯環(huán)寬度要多寬就可以多寬。
本文重點(diǎn)介紹了精密比較器(比如LMP7300)如何能利用外部反饋電阻產(chǎn)生滯后效應(yīng),來克服現(xiàn)有比較器中常見的門限和滯后交互問題。
作者:Walter Bacharowski
放大器應(yīng)用經(jīng)理
國(guó)家半導(dǎo)體公司
