比较器应用 3

大家好，欢迎观看TI 高精度实验室 视频，本节讨论比较器应用的第 3 部分。 在本视频中，我们将讨论几个关于比较器的主题，其中 包括在比较器设计中使用单电源 和双电源之间的差异、比较器的 共模电压限制、比较器输出 信号中的启动不确定性 以及击穿电流传播延迟和 最大切换频率的 内容。 工程师们常常想知道比较器 是否可以成功地与双电源配合使用。 尽管比较器最经常被显示和指定单 电源配置， 但它们几乎总是配置为双电源。 该幻灯片显示了4 个与单电源和 双电源配合使用的 3.3 伏 集电极开路和推挽输出比较器示例。 这些配置之间的主要差异在于 输入和输出电压范围以及输出 电流行为。 在左上角，我们具有 一个配置为单电源的 集电极开路比较器。 当电路的输出为逻辑高电平时， 输出级晶体管关闭，并且上拉 电阻器将电压上拉至电源。 在该状态下，比较器的输出 未消耗电流，没有电流流过 上拉电阻器。 当输出被驱动为低电平，达到 0 伏时， 比较器的输出级晶体管导通，上拉 电阻器上将具有完整的 3.3 伏电源电压。 可以通过将电源电压 除以上拉电阻来计算输出级中的 电流。 在左下角，我们具有 配置为双电源的集电极 开路比较器。 V+ 到 V- 的总电源电压 仍为 3.3 伏，唯一的变动 是中位电压现在等于 0 伏。 现在，V+ 是正1.65 伏，V- 是 负 1.65 伏。 对于该电路，输入共模范围和输出 摆幅范围跨越负1.65 伏至正 1.65 伏的 电源范围。 与单电源电路类似，当输出 为正 1.65 伏的高电平时， 该配置不需要电流，当输出为负 1.65 伏的 低电平时，将灌入电流。 右上角是配置为单电源的推挽 比较器。 在该情况下，输出连接到一个负载电阻器。 当比较器的输出为 0 伏的低电平时， 输出电流为 0，因为负载上的 电压为 0。 当输出为 3.3 伏的高电平时， 比较器会拉取电流，该电流大小等于 3.3 伏除以负载电阻。 最后，在右下角，我们具有配置为双电源的 推挽比较器。 在该情况下，当比较器 将输出驱动至正1.65 伏的高电平时， 它必须拉取电流，将输出驱动至负 1.65 伏的低电平时，它必须灌入电流。 让我们继续讨论比较器的输入 共模电压范围。 尽管对于许多比较器，允许的 共模电压简单明了，其范围为负电源 电压至正电源电压，但存在一些有趣的 例外情况。 例如，毫微功耗比较器 TLV3401 和 TLV3701 可提供正电源电压 VCC 以上正 5 伏的输入共模范围 VICR。 工程师们常常询问在该扩展的共模电压 区域内运行时，这些器件是否 仍具有与比较器相同的行为。 由于这是器件数据表的 电气特性表中提供的一项规格， 因此这意味着在此条件下 该产品仍将按照规定 运行。 然而，共模范围高出电源如此 之多是不常见的，因此我们构建了 左侧显示的电路并在工作台上 对其进行了测试，以展示其在比 正电源高 5 伏的输入信号下的 运行情况。 该幻灯片的中间部分提供了电路 运行的示波器截图，其中 输入信号以橙色显示， 输出信号以蓝色显示。 TLV3401 确实正常运行，但有趣的是， 我们发现使输出更改状态所需的 差分输入电压会在 VCC 增大时增大。 右侧的表中总结了这些结果。 尽管差分输入电压要求稍大 一些，但该功能可以为输入电压 具有比 VCC更大的共模 电平的应用提供更简单的解决方案。 会在比较器电路中遇到的 一个常见问题称为启动输出状态不确定性。 启动状态不确定性意味着当比较器的 电源电压升高时，无论输入信号如何， 输出都可能会在各种状态之间来回转换。 因此，在启动期间输出可能会间歇性地 提供虚假或错误的状态， 直到电源电压达到 比较器的最低额定工作电压、 器件稳定。 如果比较器后面的电路在启动期间 更快地激活并且根据来自比较器的 意外输出状态进行操作，那么这可能是一个问题。 此处显示的电路中使用 TLV3492 说明了 该行为。 在该示例中，电源电压 使用锯齿信号发生器缓慢升高。 以红色和黑色显示了两组 不同的输入情况。 对于第一种以红色显示的情况， 同相输入上的电压大于 反相输入上的电压， 因此输出应为逻辑高电平。 我们可以看到，当电源电压 从 0 伏升至 3 伏时，输出状态实际上 从逻辑低电平转换为逻辑高电平，然后再转换为逻辑低电平， 然后在电源电压达到1.5 伏时稳定至逻辑 高电平。 在这一点之后，比较器的输出 保持在逻辑高电平，这符合预期。 请记住，对于TLV3492，1.5 伏 实际上低于最小电源电压 要求 1.8 伏。 对于以黑色显示的第二种 情况，反相输入电压 高于同相输入电压。 在这种情况下，预期的输出为逻辑低电平， 但实际输出在电源电压 升高时短暂地转换为逻辑高电平。 该不确定启动行为是不常见的， 可以在许多比较器中观察到。 所幸的是，某些更现代的比较器具有 相应的内部电路，可以解决该问题。 例如，TLV3691 具有上电复位-- 或 POR -- 电路，该电路 可在启动期间强制比较器 输出为低电平。 如果我们重复前一张幻灯片中的 电源电压升高测试，那么我们 可以观察到在达到最低 VCC 之前， 比较器输出一直保持低电平。 这可能是某些可靠启动行为 至关重要的应用中的重要功能。 具有推挽输出的比较器的一项 重要交流注意事项 称为击穿电流。 这是在特定的条件下从正 电源流向负电源的 电流浪涌。 当比较器输出的状态 变化时会产生击穿电流，此时 此时两个输出晶体管都短暂地导通。 这会创建一条从正电源通过 输出电阻器的导通电阻到达 负电源的电流路径，从而导致 电源电流中出现短暂的 干扰。 这些干扰可能会影响邻近的比较器， 尤其是在使用双封装或四封装器件时。 电源干扰还可能会影响连接到 同一电源的邻近器件， 因为干扰的频率相当高， 此时许多器件的电源 抑制不一定很好。 所幸的是，通常可以通过选择 合适的电源去耦电容器 来解决该问题。 例如，LMC7211 数据表提供了 有关如何为该目的 选择电容器的详细信息。 此外，不要忘记遵循良好的印刷电路板 布局技巧，这些技巧可以为电容器 提供低电感路径。 比较器的另一个常见交流注意事项 是传播延迟。 这是当输入变为其最终输入电平的 50% 时比较器输出达到 其最终输出电平50% 所需的时间。 请注意，指定了两种传播延迟 -- 一种 针对输出从低电平到高电平的转换， 这称为 Tp(lh)，另一种针对从高电平到低电平的 转换，这称为 Tp(hl)。 除了传播延迟，还指定了输出 波形的上升时间Tr 和下降时间 Tf。 这是输出从其最终值的 10% 转换为其90% 所需的时间。 请注意，由于输出级晶体管的 大小和阻抗，比较器的传播 延迟对于上升沿和下降沿可能是 不同的。 比较器的传播延迟 时间受输入过驱量的影响。 在这种情况下，过驱被定义为 施加到另一个输入上、相对于基准电平的附加 输入信号振幅。 例如，如果将基准输入设置为 1 伏，并且信号输入为 1.02 伏， 那么过驱电平等于 20 毫伏。 对比较器输入进行过驱会导致传播 延迟时间缩短。 缩短的时间是有限的，但幅度可能很大， 因为过驱范围为 5 毫伏 至 100 毫伏。 最显著的时间缩短发生在 过驱范围的下限区域， 例如 5 毫伏至 20 毫伏。 该幻灯片顶部的图显示了 TLV3501 的 变化传播延迟与过驱电压间的 关系。 我们要在本视频中 讨论的最后一项比较器 规格称为比较器的 最大切换频率。 我们可以通过该规格来了解 比较器的总体速度， 可以使用此处显示的公式来计算该规格。 只需将上升时间、下降时间、从低电平 到高电平的传播延迟和从高电平 到低电平的传播延迟相加，然后求 结果的倒数。例如，如果我们使用 TLV3501 时序 参数，那么我们可以计算得出最大切换 频率大约为 83.3 兆赫。 数据表提供的值为 80 兆赫，这与我们的 计算结果非常接近。 再以 TLV3201 为例，我们可以计算 得出最大切换频率大约为 10.9 兆赫。 数据表未指定相应的值， 但实验室测试证实了该限值大约为 10 兆赫。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频 内容的理解。250