高频运算放大器比较器的设计指南分享

作者：Rajeswari

与基于直流电压/极低频的比较器应用相比，高频比较器应用需要额外的参数和考虑因素以提供更好的信号处理效率。与直流电压应用一样，在高频应用中，也使用运算放大器代替比较器。但是，在高频信号处理期间，运算放大器不会表现出与直流信号输入相同的性能。在将运算放大器用于高频比较器应用之前，设计人员应该知道不同的运算放大器参数在不同的频率范围内是如何变化的。

DC和高频信号的运算放大器性能有何不同？

要了解运算放大器的高频现象，需要对运算放大器的内部结构进行分析。LM324运算放大器的内部原理图如下图1所示，LM339比较器的内部结构如图2所示。

图 1：LM324 运算放大器的内部结构


图 2：LM339 比较器的内部结构

通过比较这两个数字，我们可以发现，除了晶体管和电源，运算放大器中还有一个电容器，而在比较器中，电路内部没有电容。运算放大器内部的电容器“ Cc ”称为“补偿电容器”，它定义了给定运算放大器的高频操作。在各种高频操作参数中，增益是任何应用中任何运算放大器最重要的参数。对于比较器应用，运算放大器将使用运算放大器的最大增益，并且由于频率导致的增益变化是比较器应用中运算放大器的第一个显着参数。

LM324运算放大器的不同频率信号的增益变化可以在图3所示的开环频率响应曲线中找到。

图 3：开环频率响应

根据开环频率响应的数据表曲线，我们可以发现运算放大器的增益随着频率的增加而降低。对于 10Hz 以下，开环可以提供最大增益，在 1MHz 附近，增益为 0dB （1V/V）。在这种情况下，输出电压仅等于反相和非反相端电压之差。此外，从图 4 所示的 LM324 运算放大器的大频率响应来看，输出电压摆幅随着频率的增加而减小。在图 4 中，对于 15V Vcc，我们可以从 LM324 Op-Amp 获得 13.5V 的最大输出，而如果信号频率为 10kHz，则输出电压仅为 10V，而在 100kHz 时，输出电压约为 1V。因此，与直流应用一样，仅考虑器件的额定电压，比较器不能直接被运算放大器取代。

图 4：大频率响应

示例电路：使用锯齿波和直流参考信号的 PWM 发生器

PWM 发生器电路是电力电子控制应用中使用最广泛的电路，其中固定频率的锯齿波形与直流电压进行比较，并根据直流电压的大小改变 PWM 占空比。

图 5：高频比较器应用示例

在本例中，非反相输入 （V+） 采用锯齿波。锯齿波的低电平电压（V+）为0V，峰值电压为0.5V。反相输入（V-） 直流电压波形在 0V 至 0.5V 之间变化。如果反相输入 （V-） 为 0V，则输出始终为高电平 （Vcc） 或 100% 占空比。如果反相输入电压大于或等于 0.5V，则输出电压为零或 Vee。在此示例中，反相输入电压保持在 0.2V，LM339 比较器的响应输出响应如图 7 所示，相应的电路如图 6 所示。

图 6：使用 LM339 比较器的 PWM 发生器电路


图 7：使用 LM339 比较器的 PWM 发生器电路的输出响应 – 10KHz

LM339 的 PWM 发生器电路按预期工作得更好，对于 5V Vcc，输出最大电压等于 Vcc，较低的电压等于 120mV 左右。根据数据表规格，120mV 几乎与典型的低电压电平相匹配。

表 1：LM339 低电平输出电压数据表规格

使用 LM324 运算放大器的同一电路的响应如下图所示。

图 8：使用 LM324 比较器的 PWM 发生器电路的输出响应 – 10KHz

与使用 LM339 比较器的响应相比，使用 LM324 实现的比较器电路产生了不同的响应。如图 9 所示，通过将这两个输出响应放在一个窗口中，我们可以发现两个主要的不匹配。

1） 输出电压电平
2）运算放大器响应的上升时间和下降时间

就输出电压电平而言，比较器总是产生等于 Vcc 的输出电压，在极少数情况下，它可能会低于或高于 200mV。但是对于运算放大器，最大输出电压摆幅相对小于 Vcc。LM324 的输出电压摆幅如下表所示。根据数据表规范，5V - Vcc LM324 Op-Amp 输出的最大输出电压仅为 3.5V。因此，在用运算放大器替换比较器时，设计人员必须检查运算放大器的输出电压摆幅是否符合要求。

表 2：LM324 输出电压摆幅


图 9：LM339 和 LM324 输出响应比较——10KHz

最终确定运算放大器可用作比较器的最重要参数是运算放大器的“转换速率”。运算放大器的压摆率定义为输出信号达到其幅度的 10% 到幅度的 90% 所需的时间，通常以 V/us 关系表示。根据数据表，LM324 运算放大器的单位增益压摆率为0.5V/us。

表 3：LM324 压摆率额定值

在将运算放大器用于应用之前，特别是对于高频比较器应用，压摆率要求应根据以下公式计算

转换速率 （V/s） = 2.π.fV

这里 f = 频率，如果要处理的信号以 Hz 为单位

V – 输出信号的峰峰值电压

在我们的应用中，我们需要处理一个 10kHz 频率的信号，输出峰峰值电压为 5V。因此，对于此要求，运算放大器所需的最小压摆率为：

转换速率 （V/s） = 2x3.14x10000x5 = 314000 V/s

在运算放大器数据表中，压摆率以 V/uS 表示，将上述结果转换为 V/us 得到 =》 0.314V/uS。另一个需要考虑的重要参数是获得的压摆率仅适用于单位增益（输入电压差和输出电压相等），并且压摆率响应将基于更高的增益而降低（作为比较器的运算放大器将在更高的增益级）。因此，在使用运算放大器比较器应用时，压摆率应高于计算得到的完美输出要求。

在选定的应用中，所需的压摆率是 0.314V/us，数据表值是 0.5V/us，单位增益， 这对于这个比较器应用来说非常低，应该用高压摆率 Op 替换 LM324 运算放大器-放大器。

除了压摆率以获得更好的高频输出外，还应根据信号频率降低峰值输出电压，如图 4 所示。使用 LM339 比较器和 LM324 运算放大器的 100 kHz 信号的输出响应如图所示图 10。

图 10：LM339 和 LM324 输出响应比较 – 100KHz

在 100kHz 时，我们可以清楚地了解运算放大器替代比较器。对于 100kHz 操作，LM339 比较器仍能以极短的上升和下降时间产生所需的输出信号。但是，基于LM324 运算放大器的比较器输出不再是 PWM 波形。由于运算放大器内部的Cc - 补偿电容器会降低较高频率的增益，因此基于运算放大器的比较器电路作为“低通滤波器”而不是比较器运行。对于 100kHz 频率，所需的 Slew Rate 也是 3.14V/us，无法与 LM324 Op-Amp 匹配。

为了满足这一要求，必须更换高压摆率和高带宽运算放大器而不是 LM324。

结论

对于比较器应用，最好使用比较器而不是运算放大器。如果将比较器替换为用于 DC 和极低频信号的运算放大器，则输出电压摆幅、共模电压、差模电压、输出配置和驱动电流是分析时应采用的重要参数。然而，如果应用是高频，除了上述几点之外，运算放大器带宽、压摆率和传播延迟是主要的决策参数。还添加了与定义不同频率下的压摆率计算的峰值电压相关的大信号响应，对于更高的压摆率，运算放大器的工作电流消耗也更高，从而增加了运算放大器的功率要求。由于运行功率的增加。