如何将运算放大器用作比较器的设计方案

在前一篇文章——“常见运算放大器电路”、“Opampsdointegration”和“实用运算放大器差分是静音变体”——中，我们研究了一些经典运算放大器电路。这些电路采用负反馈，所以运算放大器通常可以工作在线性区域。
然而，也可以使用运算放大器作为比较器，使得它以非线性方式工作。因为它的输入是硬驱动的，所以它的输出电压会对电源轨产生剧烈的冲击。如下所示，这可能并不总是一种好的设计方法。
变得非线性
图1显示了开环配置的运算放大器。当车辆识别号大于零时，输出电压变高，并限制在正电源电压附近。当输入电压变为负值时，运算放大器的输出将摆动到负值，并再次被限制在负电源电压附近。这里假设运算放大器由传统的正负电源电压供电。上述比较器电路在零伏附近工作。图2在电路中增加了一个电阻分压器来设置反相输入端的电压，从而提供了一种控制比较器参考电压VREF的方法。它显示了另一种常见的设计技术，即给比较器增加迟滞。在这种情况下，输入电压驱动运算放大器的反相输入，VREF连接到同相输入。R1-R2电阻分压器从输出电压VOUT产生VREF。当VIN降至VREF以下时，输出电压变高，导致VREF变为更高的电压。
同样，当VIN转换为高于VREF时，VOUT成为最大负输出电压，从而拉低VREF。当输入信号上有任何噪声时，这种迟滞效应可以防止比较器在VREF转换以上时反向工作。
图4中的多谐振荡器电路使用图3中的R1-R2滞后电路和RC定时电路来产生方波输出。其实不是比较器电路。相反，它使用运算放大器作为比较器来创建所需的输出波形。假设VOUT最初是高电压，它会通过R3给C充电。电容器的电压增加，这个过程与时间常数R3-C一致.当电容器电压变得大于VREF时，输出电压将摆动到负电源电压。这将导致电容电压被驱动为负，这也与时间常数R3-c一致。R1-R2分压器将在同相输入上提供一定的迟滞，以便运算放大器能够实现平滑过渡。有关元件值如何决定多谐振荡器频率的更多信息，请参见参考文献
但是有一些问题
网上有很多关于这种非线性运算放大器电路的文章。但是我查了一些IC供应商的网站，注意到他们强烈警告不要用运算放大器做比较器[参考文献1和2]。主要问题包括：
一些运算放大器的输入端有箝位二极管，这限制了两个输入端之间的最大电压。这可以通过仔细设计或选择其他运算放大器来解决。
比较器应用将驱动运算放大器达到饱和。从饱和状态恢复可能很慢，并且通常没有具体说明。
大多数运算放大器的输出电压摆幅可能接近正负电源电压。这可能有也可能没有规定，而且可能没有得到很好的控制
与针对这种特定应用而设计的“真实比较器”相比，运算放大器的开关时间往往更慢。
运算放大器的输出通常不设置为驱动数字逻辑，因此可能需要其他电路来调整。
使用运算放大器作为比较器的主要原因可能是，有时使用一个多运算放大器设备，只剩下一个放大器。毕竟就在那里，可以免费使用。如果您决定采用这种方法，您需要仔细研究数据手册，评估实际电路性能是否有序。那么就需要保证运算放大器电路有相当大的内置余量。
非线性运算放大器的上述考虑也可能有助于我们理解线性应用中可能出现的一些问题。运算放大器的输出有可能被驱动到轨电压吗？如果有，需要多长时间恢复？这会影响电路的性能吗？
所以很多IC供应商都推荐用户使用实比较器，而不是运算放大器。毕竟，比较器被设计成用作比较器。它具有指定的开关特性和输出驱动，通常被设置为驱动逻辑器件。有许多经济的设备可供选择。
BobWitte是技术咨询公司SignalBlueLLC的总裁。
引用
“运算放大器使用了比较器—这是什么意思？”布鲁斯特拉普，德克萨斯仪器公司，2012年3月
“使用运算放大器比较器”，詹姆布莱恩特，模拟设备，应用笔记AN-849，2011
“应不应该使用模拟比较器？”2016年11月
“运算放大器多谐振荡器”，电子电路
handbookoofoperationlamplifierprises，BruceCarterandThomasR。德州布朗大学，2016年9月
OpAmpsforEveryone，RonMancini