集成电压比较器.docx

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集成电压比较器
集成电压比较器
　　本章主要介绍集成电压比较器的基本概念及各种集成电压比器的结构及工作原理，以及各种集成电压比较器的特点。
　概述
　基本概念
　　电压比较器是模拟集成电路中应用较多的电路之一，用于在模拟信号处理中比较和判断两个信号的大小，输出的是一个逻辑值（0或1），电压比较器的电路结构、性能等与运放基本相同，所用的符号也与运放一致，如图（a）所示，比较器的输入端口分为同相VP、反相VN两端，当VP大于等于VN时，比较器输出为高电平，反之则输出为低电平，比较器的传输特性如图(b)所示。
　　　　　　（a） (b)
图　（a）电压比较器符号　　（b）电压比较器的传输特性
当输入信号为一个交流信号，并且接入比较器的同相输入端时，一个理想的电压比较器的输出波形如图所示。
图　输入为交流信号时理想电压比较器的输出
　　电压比较器实际上是一个高增益的运算放大器，从电路的基本结构和工作原理上看十分相似，但具体分析在电路应用和使用要求方法两者之间有一系列区别，如表所示：
表　电压比较器与运算放大器的比较
电压比较器
运算放大器
工作状态
过驱动状态
小信号状态
应用状态
开环状态
一般为闭环状态
输出状态
单端输出逻辑电平
双端或单端输出模拟量，一般要求输出摆幅大
静态输出电平
零输入时，输出为后一级逻辑电路的阈值电平
零输入时零输出
　　由表可以看出，在进行比较器设计时要注意以下几点：
直流特性的设计与运放基本相同；
频率特性的设计与运放大不相同，因为电压比较器一般工作于开环状态，所以不需考虑放大器闭环工作所需的频率补偿；
在比较器中的放大器重点要考虑的是转换速率、增益与输入失调电压。
一个高性能的电压比较器必须具有高的增益、低失调电压与高的转换速率。
　电压比较器的主要参数及设计要求
1　电压比较器的主要参数如下：
开环电压增益AV：直接决定了电压判别的灵敏度，增益越高，则灵敏度越高。
输入失调电压VOS：也直接影响电压判别的灵敏度，失调越小，则灵敏度越高。
输出高电平VOH、低电平VOL：按后级逻辑电路的要求而定。
瞬态响应：决定了电压比较器的输出电压的高低压之间的转换时间，包括响应时间tR（一般分为上升时间tR1与下降时间tR2）与选通脉冲释放时间tSr。
2　电压比较器的设计考虑
　　电压比较器设计时，主要考虑如何提高电压比较器的灵敏度和响应时间，而电压比较器的灵敏度主要决定于电压增益和输入失调电压，其关系曲线分别如图（a）与图（b）所示。
　　　　　　（a） (b)
图（a）电压比较器的灵敏度与电压增益之间的关系 (b)与输入失调之间的关系
　　上图中的△V指的是比较器的不确定区，也称为比较器的比较窗口，即为比较器的灵敏度，输入信号在此区域时输出不会发生逻辑电平变化：
Av增大，则△V减小，如图（a）中的虚线（代表的是Av较小）的△V2大于实线（代表的是Av较大）的△V1，若为理想的电压比较器，即Av为无穷大时，则△V趋于0，此时比较器最灵敏。
由于输入失调电压可为正值，也可为负值，电压比较器的比较窗口随输入失调电压的上升而增大，从图（b）中可清楚地看出减小比较器输入失调电压对提高比较器灵敏度特别重要。
　　设计电压比较器时，其直流特性设计分析与运放类似，但它在大信号下工作，所以电路中管子可用导通与截止进行分析。
而由于电压比较器无需考虑放大器的闭环稳定的问题，因此在设计电压比较器的频率特性时，应尽量提高比较器的响应速度。比较器的响应时间主要与比较器的压摆率、带宽和过驱动大小有关，并且与定义的△ε大小有关，即有压摆率增大、带宽增大以及过驱动电压增大时，电压比较器的响应时间下降。还需注意的是电压比较器的正、负输入端的响应时间　可能不同。
电压比较器的结构
　　以下两种CMOS电压比较器结构的使用比较广泛：
级联倒相器结构
图是其基本的原理框图。
图　级联倒相器结构
这种结构大多用于静态工作模式。
差分放大结构
图是其基本的原理框图。
图　差分放大结构的电压比较器
每个放大器都需连接一个锁存器，锁存器的作用是快速提供一个大的输出电压，其幅度与波形与输入信号无关。若无锁存器，则要保证电压比较器有很高的比较灵敏度时应要求差分放大器有很高的增益.
例如