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1、应用笔记 3616建立比较器的外部滞回电压摘要：长期以来, 模拟比较器的使用一直处在它的“同伴”运算放大器的阴影之中。设计人员发 表了大量针对运算放大器的应用笔记, 而关于比较器的应用笔记较少。正是由于缺少比较器的应 用资料很多用户希望伽X/帀应用部能够在如何建立比较器滞回电压方面提供帮助。本文针对 这一需求, 介绍在一些常用的比较器电路中建立滞回电压的方,法并且讨论了提高噪声抑制能 力和系统稳定性有关措施。关于比较器滞回的讨论需要从“滞回”的定义开始，与许多其它技术术语一样，“滞回”源于希腊语， 含义是“延迟”或“滞后”，或阻碍前一状态的变化。工程中，常用滞回描述非对称操作，比如，从 A 到
2、 B 和从 B 到 A 是互不相同。在磁现象、非可塑性形变以及比较器电路中都存在滞回。绝大多数比较器中都设计带有滞回电路，通常滞回电压为5mV到10mV。内部滞回电路可以避 免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自 激振荡，却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回，以提高系统的抗 干扰性能。首先，看一下比较器的传输特性。图1所示是内部没有滞回电路的理想比较器的传输特性，图2所示为实际比较器的传输特性。从图2可以看出，实际电压比较器的输出是在输入电压（V|N增 大到 2mV 时才开始改变。图1. 理想比较器的传输特性图 2. 实际比
3、较器的传输特性 运算放大器在开环状态下可以用作比较器，但是一旦输入信号中有少量的噪声或干扰，都将会在 两个不同的输出状态之间产生不期望的频繁跳变(图 3)。用带有内部滞回电路的比较器代替开环 运算放大器能够抑制输出的频繁跳变和振荡。或在比较器的正反馈电路中增加外部滞回电路，正 反馈的作用是确保输出在一个状态到另一个状态之间快速变化，使比较器的输出的模糊状态时间 达到可以忽略的水平，如果在正反馈中加入滞回电路可减缓这种频繁跳变。图 3. 无滞回电路时比较器输出的模糊状态和频繁跳变 举个例子，考虑图4所示简单电路，其传输特性如图5所示。比较器的反相输入电压从 0开始线性变化，由分压电阻R1、R2构
4、成正反馈。当输入电压从1点开始增加(图6),在输入电压超过同相阈值VTH = VCCR2/(R1 + R2)之前，输出将一直保持为VCC。在阈值点，输出电压迅速从TH+ CCCCVCC跳变为vss，因为，此时反相端输入电压大于同相端的输入电压。输出保持为低电平，直到输入经过新的阈值点5, VTH = VSSR2/(R1 + R2)。在5点，输出电压迅速跳变回VCC，因为这TH- SSCC时同相输入电压高于反相输入电压。图 5. 图 4 电路的传输特性图 6. 图 4 电路的输入/ 输出电压波形 图4所示电路中的输出电压VOut与输入电压VIN的对应关系表明，输入电压至少变化2VtH时， 输出电
5、压才会变化。因此，它不同于图3的响应情况（放大器无滞回），即对任何小于2Vth的噪TH 声或干扰都不会导致输出的迅速变化。在实际应用中，正、负电压的阈值可以通过选择适合的反 馈网络设置。其它设置可以通过增加不同阈值电压的滞回电路获得。图7电路使用了两个MOSFET和一个电阻网络调节正负极性的阈值。与图4所示比较器不同，电阻反馈网络没有加载到负载环路，图8 给出了输入信号变化时的输出响应。图 7. 通过外部 MOSFET 和电阻构成滞回电路图 8. 图 7 电路的输入/ 输出电压波形比较器内部的输出配置不同，所要求的外部滞回电路也不同。例如，具有内部上拉电阻的比较器， 可以在输出端和同相输入端直
6、接加入正反馈电阻。输入分压网络作用在比较器的同相输入端，反 相输入电压为一固定的参考电平（如图 9）。图 9. 在带有上拉电阻的比较器中加滞回电路 如上所述，具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于检测输入上升电压(VTHR)，个用于THR检测输入下降电压(VTHf)，对应于图8的VTH1和VTH2。两个门限的差值为滞回带(VHB)。当比较 器的输入电压相等时，滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入，从而使比较器避开产生振荡的 区域。图 10所示为比较器反相输入端电压固定，同相输入端电压变化时的工作过程，交换两个 输入可以得到相似波形，但是输出电压极性相反。根据输出电压的两个极限值(两个电源摆
7、幅)，可以很容易地计算反馈分压网络的电阻值。内部有4mV滞回和输出端配有上拉电阻的比较器一如Maxim公司的MAX9015、MAX9017和 MAX9019等。这些比较器设计用于电压摆幅为VCC和0V的单电源系统。可以按照以下步骤，CC根据给定的电源电压、电压滞回(VHB)和基准电压(Vref)，选择并计算需要的元件：第1步选择R3,在触发点流经R3的电流为(Vref - VOUT)/R3o考虑到输出的两种可能状态，R3由如下 两式求得：R3 = VREF/IR3 和 R3 = (VCC - VrEF)/IR3取计算结果中的较小阻值，例如，VCC = 5V, IR3 = 0.2，使用MAX91
8、17比较器(VREF = 1.24V), 则计算结果为6.2MQ和19MQ，选择R3为标准阻值6.2MQ。第2步选择滞回电压(VHB)o在本例中，选择滞回电压为50mVo第3步R1可按下式计算。对于这个例子，R1的值为：/ = 6.2A/Q =盟血I刃丿第4步输入VIN上升门限(VTHr)的选择，例如:在该门限点，当输入电压VIN超过阈值时，比较器输出由低电平变到高电平。本例中，选择VthrINTHR= 3V。第5步计算 R2， R2 可按下式计算：本例中，R2的标准值为44.2kQ。第6步按如下步骤验证电压和滞回电压：VIN上升门限=2.992V，等于VREF乘以R1，除以R1、R2INRE
9、F和 R3 并联后的阻值。Vin下降门限=2.942V。因此，滞回电压=Vthr - Vthf = 50mV。INTHR THF)最后，开漏结构的比较器内部滞回电压为4mV (MAX9016、MAX9018、MAX9020)，需要外接 上拉电阻，如图11所示。外加滞回可以通过正反馈产生，但是计算公式与上拉输出的情况稍有 不同。滞回电压=Vthr - Vthf = 50m V。按如下步骤计算电阻值：THR THF第1步选择R3,在IN_+端的输入偏置电流小于2nA,所以通过R3的电流应至少为0.2yA,以减小输 入偏置电流引起的误差。在触发点流经R3的电流为(Vref - VOUt)/R3。考虑
10、到两种可能的输出状 态， R3 可由以下两个公式求得：R3 = Vref/IR3 或 R3 = (VCC - VrEF)/IR3 - R4取上述结果的较小值。例如，Vcc = 5V，IR3 = 0.2pA, R4 = 1MQ，使用MAX9118比较器(VrEF =1.24V)，计算结果为6.2MQ和18MQ，贝IR3选6.2MQ。第2步选择需要的滞回电压(Vhb)。第3步选择 R1，R1 可按下式计算在此例中，R1为：屈=（6.2.WQ +72AQ第4步选择VIN上升门限（VTHr），如下式:如下式：,(1.241 x 72A-Q)本例中，R2的标准值为49.9kQ。在该门限点，当输入电压VIN超过阈值时，比较器输出由低电平变到高电平。本例中，选择VthrINTHR= 3V。第5步 计算 R2，第6步按如下步骤验证触发电压和滞回电压图 11. 在输出为开漏结构的比较器中加滞回电路
