既生瑜何生亮？運(yùn)放 vs.比較器芯片
2023/5/16 10:42:49??????點(diǎn)擊：
我們知道運(yùn)放可以配置成比較器電路，但市面上還有一種比較器芯片，比如：LM311、LM393 等。這是為啥？為啥運(yùn)放明明可以配置成比較器電路，還要生產(chǎn)專門的比較器芯片。今天我們來學(xué)習(xí)一下比較器芯片和運(yùn)放電路的區(qū)別。
LM358 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的共模電壓范圍顯示，其輸出的最大電壓為正電源電壓減去 1.5：
共模電壓
下面是運(yùn)放芯片 LM358 內(nèi)部電路的差分輸入級(jí)（Input Stage）:
差分輸入級(jí)
電壓放大級(jí)(Voltage Amplifier Stage)：
輸出級(jí)（Output Stage）是一個(gè)推挽電路：
輸出級(jí)
運(yùn)放內(nèi)部電路中的這些三極管會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，因此輸出電壓不可能達(dá)到完全飽和，它總是和電源電壓有一定的差距：
無法軌到軌
圖中 +Rail 表示正軌或正電源電壓；-Rail 表示負(fù)軌或負(fù)電源電壓。黃色波形是輸入波形，藍(lán)色波形是輸出波形。
請(qǐng)記住運(yùn)放被設(shè)計(jì)用于在線性放大區(qū)域工作而不適合在軌到軌（正負(fù)電源）電源之間擺動(dòng)輸出。
相比之下，通用比較器芯片仍然具有類似的差分輸入級(jí)：
差分輸入級(jí)
比較器的輸出為集電極開路 (Open Collector)輸出和漏極開路（Open Drain）輸出, 因此其輸出完全可以達(dá)到軌到軌，也就是輸出電壓可以達(dá)到電源電壓：
輸出級(jí)
我們可以通過在比較器芯片外部加一個(gè)上拉電阻，然后將開漏輸出引腳接到負(fù)電源的方式，將其輸出驅(qū)動(dòng)到完全飽和或截止：
完全飽和或截止
下圖是一個(gè)典型的運(yùn)放比較器電路：
兩個(gè)10k 電阻構(gòu)成分壓器接到反相輸入引腳，提供一個(gè)比較參考電壓 5 伏。正弦信號(hào)輸入到同相引腳。同相輸入引腳我們輸入一個(gè)以 5 伏為中心的正弦波，這會(huì)在輸出引腳輸出一個(gè)方波。
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上的運(yùn)放比較器電路
波形如下：
運(yùn)放比較器電路波形
紫色波形是接到同相輸入的正弦波，青色是輸出波形，黃色是正電源電壓。
可以看到輸出波形的峰值達(dá)不到正電源電壓，我們用示波器光標(biāo)測(cè)量功能測(cè)量其和正電源電壓的差距是 1.43 伏，接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 1.5 伏：
遙不可及的夢(mèng)
注意其輸出需要接上拉電阻。
在面包板上組裝完成的 LM311 比較器電路：
面包板上的比較器芯片電路
LM311 比較器電路波形：
比較器芯片 LM311 波形
可以看到輸出電壓已基本和正電源電壓重合了，做到了軌到軌（Rail-to-Rail)。
我們看運(yùn)放芯片內(nèi)部有一個(gè)小小的補(bǔ)償電容：
運(yùn)放芯片 LM358 內(nèi)部的補(bǔ)償電容
而比較器芯片內(nèi)部則沒有這顆電容：
比較器芯片 LM311 內(nèi)部沒有補(bǔ)償電容
運(yùn)放內(nèi)部的補(bǔ)償電容導(dǎo)致了運(yùn)放的輸出響應(yīng)相對(duì)通用比較器芯片而言有點(diǎn)慢。
下圖中黃色波形是運(yùn)放比較器電路的輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：
運(yùn)放輸出響應(yīng)慢
可以看到比較器芯片輸出可以達(dá)到 10 伏的正軌電壓，比較器能夠快速達(dá)到正軌電壓，而運(yùn)放受制于較低的壓擺率響應(yīng)速度相對(duì)而言有些慢。
我們放大波形看看:
輸出響應(yīng)時(shí)間比較
我們測(cè)量波形的上升時(shí)間，即波形從10% 上升到 90% 所需的時(shí)間?？梢钥吹奖容^器以 4.76 微秒的速度快速上升。受限于較低其壓擺率，運(yùn)放的上升時(shí)間達(dá)到了 28 微妙。
兩個(gè) 10k 的電阻構(gòu)成的分壓器為同相引腳提供 2.5 伏的比較參考電壓?？烧{(diào)電阻接到反相引腳，其可調(diào)電壓范圍為 0~5 伏：
當(dāng) 2 腳電壓 > 2.5 伏時(shí)，輸出為 GND, LED 點(diǎn)亮；
當(dāng) 2 腳電壓 < 2.5 伏時(shí)，輸出為 +5伏, LED 熄滅。
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上組裝好的運(yùn)放比較器電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點(diǎn)亮或熄滅 LED。
探頭接在運(yùn)放輸出引腳（1腳）上，時(shí)基為 2ms ， LED 由亮到滅時(shí)波形截圖如下：
比較器電路波形
看上去一切正常，很好。
比較器芯片 L:M311 電路
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上組裝好的電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點(diǎn)亮或熄滅 LED。
我們把示波器探頭放到比較器芯片輸出引腳 7 上，看看波形。觸發(fā)方式設(shè)置為正常， 這樣只有發(fā)生觸發(fā)時(shí)波形才會(huì)刷新，否則波形不動(dòng)。我們將時(shí)基調(diào)整到 2ms 時(shí)， 旋轉(zhuǎn)電位計(jì)，LED 由亮到滅時(shí)截取的波形如下：
輸出波形有毛刺
可以看到 LED 由亮到滅時(shí)波形有很多毛刺（或者振蕩）。
將波形放大看看：
輸出波形有振蕩
為啥會(huì)產(chǎn)生這些振蕩？
要知道這個(gè)世界上沒有完美的信號(hào)，信號(hào)上總是多多少少有一些噪音。電位計(jì)輸出的電壓不是穩(wěn)定的它有一定的噪音，在調(diào)節(jié)電壓接近同相引腳的參考電壓時(shí)，這些上下抖動(dòng)的噪音會(huì)導(dǎo)致比較器輸出抖動(dòng)。不要忘了運(yùn)放（比較器也是一個(gè)運(yùn)放）是對(duì)兩個(gè)輸入引腳的壓差非常敏感的，只要這兩者之間的壓差比零大一點(diǎn)，哪怕是非常小，也會(huì)被放大反應(yīng)到輸出引腳上。
我畫了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖來說明這個(gè)問題：
輸入信號(hào)有噪音，導(dǎo)致輸出振蕩
可以看到輸入信號(hào)在接近參考電壓 2.5 伏時(shí)，其上面的噪音會(huì)在 2.5 伏上下抖動(dòng)，導(dǎo)致輸出也跟著抖動(dòng)。
問題的解決很簡(jiǎn)單，把比較器配置成施密特觸發(fā)器就可以了，具體可以參考我的另一篇文章：運(yùn)放教程2-正反饋電路。這里我們?cè)谳敵鲆_和同相引腳之間加一個(gè)10k的電阻即可。
加上正反饋電阻后的波形截圖：
可以看到波形干凈利落，沒有任何雜波。
前面運(yùn)放組成的比較器電路反而沒有這個(gè)問題，那是因?yàn)檫\(yùn)放的輸出響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于專用比較器芯片來說太慢了，它沒能捕捉到輸入信號(hào)上的噪音，這也算傻人有傻福吧。比較器芯片能夠快速捕捉輸入信號(hào)的變化，雖然在輸入信號(hào)有噪音時(shí)這可能會(huì)導(dǎo)致一些問題，但是對(duì)于一些要求快速響應(yīng)的信號(hào)你就必須得使用專用比較器芯片了。
LM311 的響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 165 納秒:
165 納秒
1. 輸出可以做到軌到軌
2. 快速的響應(yīng)時(shí)間
缺點(diǎn)一
LM358 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的共模電壓范圍顯示，其輸出的最大電壓為正電源電壓減去 1.5：
共模電壓
下面是運(yùn)放芯片 LM358 內(nèi)部電路的差分輸入級(jí)（Input Stage）:
差分輸入級(jí)
電壓放大級(jí)(Voltage Amplifier Stage)：
電壓放大級(jí)
輸出級(jí)（Output Stage）是一個(gè)推挽電路：
輸出級(jí)
運(yùn)放內(nèi)部電路中的這些三極管會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，因此輸出電壓不可能達(dá)到完全飽和，它總是和電源電壓有一定的差距：
無法軌到軌
圖中 +Rail 表示正軌或正電源電壓；-Rail 表示負(fù)軌或負(fù)電源電壓。黃色波形是輸入波形，藍(lán)色波形是輸出波形。
請(qǐng)記住運(yùn)放被設(shè)計(jì)用于在線性放大區(qū)域工作而不適合在軌到軌（正負(fù)電源）電源之間擺動(dòng)輸出。
相比之下，通用比較器芯片仍然具有類似的差分輸入級(jí)：
差分輸入級(jí)
比較器的輸出為集電極開路 (Open Collector)輸出和漏極開路（Open Drain）輸出, 因此其輸出完全可以達(dá)到軌到軌，也就是輸出電壓可以達(dá)到電源電壓：
輸出級(jí)
我們可以通過在比較器芯片外部加一個(gè)上拉電阻，然后將開漏輸出引腳接到負(fù)電源的方式，將其輸出驅(qū)動(dòng)到完全飽和或截止：
完全飽和或截止
運(yùn)放比較器電路
下圖是一個(gè)典型的運(yùn)放比較器電路：
運(yùn)放比較器電路
兩個(gè)10k 電阻構(gòu)成分壓器接到反相輸入引腳，提供一個(gè)比較參考電壓 5 伏。正弦信號(hào)輸入到同相引腳。同相輸入引腳我們輸入一個(gè)以 5 伏為中心的正弦波，這會(huì)在輸出引腳輸出一個(gè)方波。
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上的運(yùn)放比較器電路
波形如下：
運(yùn)放比較器電路波形
紫色波形是接到同相輸入的正弦波，青色是輸出波形，黃色是正電源電壓。
可以看到輸出波形的峰值達(dá)不到正電源電壓，我們用示波器光標(biāo)測(cè)量功能測(cè)量其和正電源電壓的差距是 1.43 伏，接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 1.5 伏：
遙不可及的夢(mèng)
比較器芯片電路
注意其輸出需要接上拉電阻。
在面包板上組裝完成的 LM311 比較器電路：
面包板上的比較器芯片電路
LM311 比較器電路波形：
比較器芯片 LM311 波形
可以看到輸出電壓已基本和正電源電壓重合了，做到了軌到軌（Rail-to-Rail)。
缺點(diǎn)二
我們看運(yùn)放芯片內(nèi)部有一個(gè)小小的補(bǔ)償電容：
運(yùn)放芯片 LM358 內(nèi)部的補(bǔ)償電容
而比較器芯片內(nèi)部則沒有這顆電容：
比較器芯片 LM311 內(nèi)部沒有補(bǔ)償電容
運(yùn)放內(nèi)部的補(bǔ)償電容導(dǎo)致了運(yùn)放的輸出響應(yīng)相對(duì)通用比較器芯片而言有點(diǎn)慢。
下圖中黃色波形是運(yùn)放比較器電路的輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：
運(yùn)放輸出響應(yīng)慢
可以看到比較器芯片輸出可以達(dá)到 10 伏的正軌電壓，比較器能夠快速達(dá)到正軌電壓，而運(yùn)放受制于較低的壓擺率響應(yīng)速度相對(duì)而言有些慢。
我們放大波形看看:
輸出響應(yīng)時(shí)間比較
我們測(cè)量波形的上升時(shí)間，即波形從10% 上升到 90% 所需的時(shí)間?？梢钥吹奖容^器以 4.76 微秒的速度快速上升。受限于較低其壓擺率，運(yùn)放的上升時(shí)間達(dá)到了 28 微妙。
傻人有傻福
我們通過另一個(gè)例子來體會(huì)一下專用比較器芯片的快速響應(yīng)速度。運(yùn)放比較器電路
運(yùn)放比較器電路
兩個(gè) 10k 的電阻構(gòu)成的分壓器為同相引腳提供 2.5 伏的比較參考電壓?？烧{(diào)電阻接到反相引腳，其可調(diào)電壓范圍為 0~5 伏：
當(dāng) 2 腳電壓 > 2.5 伏時(shí)，輸出為 GND, LED 點(diǎn)亮；
當(dāng) 2 腳電壓 < 2.5 伏時(shí)，輸出為 +5伏, LED 熄滅。
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上組裝好的運(yùn)放比較器電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點(diǎn)亮或熄滅 LED。
探頭接在運(yùn)放輸出引腳（1腳）上，時(shí)基為 2ms ， LED 由亮到滅時(shí)波形截圖如下：
比較器電路波形
看上去一切正常，很好。
比較器芯片電路
比較器芯片 L:M311 電路
面包板上組裝好的電路如下：
面包板上組裝好的電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點(diǎn)亮或熄滅 LED。
我們把示波器探頭放到比較器芯片輸出引腳 7 上，看看波形。觸發(fā)方式設(shè)置為正常， 這樣只有發(fā)生觸發(fā)時(shí)波形才會(huì)刷新，否則波形不動(dòng)。我們將時(shí)基調(diào)整到 2ms 時(shí)， 旋轉(zhuǎn)電位計(jì)，LED 由亮到滅時(shí)截取的波形如下：
輸出波形有毛刺
可以看到 LED 由亮到滅時(shí)波形有很多毛刺（或者振蕩）。
將波形放大看看：
輸出波形有振蕩
為啥會(huì)產(chǎn)生這些振蕩？
要知道這個(gè)世界上沒有完美的信號(hào)，信號(hào)上總是多多少少有一些噪音。電位計(jì)輸出的電壓不是穩(wěn)定的它有一定的噪音，在調(diào)節(jié)電壓接近同相引腳的參考電壓時(shí)，這些上下抖動(dòng)的噪音會(huì)導(dǎo)致比較器輸出抖動(dòng)。不要忘了運(yùn)放（比較器也是一個(gè)運(yùn)放）是對(duì)兩個(gè)輸入引腳的壓差非常敏感的，只要這兩者之間的壓差比零大一點(diǎn)，哪怕是非常小，也會(huì)被放大反應(yīng)到輸出引腳上。
我畫了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖來說明這個(gè)問題：
輸入信號(hào)有噪音，導(dǎo)致輸出振蕩
可以看到輸入信號(hào)在接近參考電壓 2.5 伏時(shí)，其上面的噪音會(huì)在 2.5 伏上下抖動(dòng)，導(dǎo)致輸出也跟著抖動(dòng)。
問題的解決很簡(jiǎn)單，把比較器配置成施密特觸發(fā)器就可以了，具體可以參考我的另一篇文章：運(yùn)放教程2-正反饋電路。這里我們?cè)谳敵鲆_和同相引腳之間加一個(gè)10k的電阻即可。
加上正反饋電阻后的波形截圖：
可以看到波形干凈利落，沒有任何雜波。
前面運(yùn)放組成的比較器電路反而沒有這個(gè)問題，那是因?yàn)檫\(yùn)放的輸出響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于專用比較器芯片來說太慢了，它沒能捕捉到輸入信號(hào)上的噪音，這也算傻人有傻福吧。比較器芯片能夠快速捕捉輸入信號(hào)的變化，雖然在輸入信號(hào)有噪音時(shí)這可能會(huì)導(dǎo)致一些問題，但是對(duì)于一些要求快速響應(yīng)的信號(hào)你就必須得使用專用比較器芯片了。
LM311 的響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 165 納秒:
165 納秒
總結(jié)
1. 輸出可以做到軌到軌
2. 快速的響應(yīng)時(shí)間
- 上一篇：IC之間的信號(hào)線為什么要接一個(gè)小電阻？至少有下面5條作用 2023/5/23
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