理解精密比较器特殊的工作特性
普通比较器
比较器是一种高增益放大器,可以放大输入端很小的差分信号,并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。图1是基本的比较器电路,可以用在反相或同相配置中。输入信号与门限电压VTH进行比较,输出端根据输入信号是小于还是大于VTH而改变其状态。
图1B和1D给出了比较器电路的转换函数。同相比较器被定义为在输入信号大于门限电压时输出为正的比较器,而反相比较器被定义为输入信号大于门限电压时输出为负的比较器。
图1：同相与反相比较器的转换函数。
比较器的增益决定了将输出驱动到高或低输出状态所要求的差分输入电压。例如,如果比较器的增益为80dB,即10,000倍,并且供电电压为5V,那么把输出驱动为高或低状态所需的输入差分电压只需0.5mV。这种情况下,很容易因为信号上或比较电压VTH上的噪声而在比较器输出端产生多次状态变化的问题。
图2中的示波器图形,显示了一个有较小噪声的输入信号、以及它对图1C所示的反相比较器输出状态的影响。在图2中,绿色线条代表的是输入信号VS,蓝色线条代表的是门限电压VTH,而黄色线条代表的是比较器的输出VO。
图2所示的比较器输出信号下降沿的波动可以利用正反馈消除,因为正反馈可以用来增加比较器的滞后效应。图3给出了图1所示比较器的应用原理图,其中反馈电阻Rf和Ri增加的正反馈和滞后功能也显示于转换函数的图形中。
图2：没有滞后的比较器信号。
图3：带滞后效应的同相与反相比较器的转移函数。
正反馈增强了信号电压与转变点参考电压VTH之间的差异,并产生两个门限值：一个用于正方向变化的输入信号,一个用于负方向变化的信号。它们在图3中分别被标记为LSTV(下位状态转换电压)和USTV(上位状态转换电压)。滞后功能将抑制小于滞环宽度的噪声幅度,并阻止出现多次输出状态转变。
讨论具有滞后功能的比较器需要引入一个新的术语：状态转换电压,它被定义为导致比较器输出状态发生切换时的实际信号电压值。状态转换电压有两个独特的值,具体取决于比较器输出电压;VTH是门限电压(或阀值电压),也是理想的比较电压。
STV即状态转换电压的缩写,它是输出状态改变时的信号电压。STV有两个值：
·USTV,即上位状态转换电压的缩写,是比门限电压更大的STV。
·LSTV,即下位状态转换电压的缩写,是比门限电压更小的STV。
图4中的示波器图形是图3中的反相比较器增加了滞后功能后的效果。其中绿色线条代表的是输入信号VS,黄色线条是输出信号VO,而蓝色线条是比较器+IN引脚上的电压。该图显示了增加滞后功能后门限电压的阶跃函数,从而产生了USTV和LSTV。
图4：带滞后效应的反相比较器。
在该图中,输入信号已经被稍稍向上偏移了一些,以便展示滞后步骤的细节。
虽然滞后可以消除状态转换期间的输出波动,但状态转换电压的实际值的精度将有所下降。没有滞后效应时,VTH、USTV和LSTV的值是相等的。
有了滞后功能后,USTV和LSTV将受到反馈电阻精度、比较器输出饱和电压、VTH值以及任何与信号源或门限电压源有关的源阻抗的影响。
参考图3A,该图显示的是不带滞后功能的同相比较器,+IN引脚上的电压等于等式1：
