運算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。而比較器是能夠?qū)崿F(xiàn)對兩個或多個數(shù)據(jù)項進行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序的電路或裝置。雖然這兩者比較相似，并且原理圖符號也差不多，如圖1所示，但是還是有一定的區(qū)別的。
圖1.運算放大器和比較器原理圖符號
從圖1可以看出，除了一些引腳數(shù)差異外，兩者都有兩個電源引腳，都有同相(+)和反相(-)輸入，并且都有輸出。兩者都可以通過交換兩個輸入的相對位置來繪制。原理示意圖如圖2和圖3所示。
圖2 運算放大器原理圖示例
圖3 比較器原理圖示例
除了輸入標(biāo)記相反之外，輸入級看起來相同。但是運放的輸出級有點復(fù)雜，與比較器的輸出級明顯不同，因為它是單開集電極。要注意的是，現(xiàn)在許多較新的比較器具有雙極級，其外觀與運算放大器輸出級非常相似。不同之處在于輸出級。運算放大器的輸出級針對線性操作進行了優(yōu)化，而比較器的輸出級則針對飽和操作進行了優(yōu)化。
1.數(shù)字和模擬輸出
比較器輸出是集電極開路，運算放大器輸出是互補的NPN-PNP對。這已經(jīng)指出了兩者之間最大的區(qū)別——其中一個用于提供數(shù)字輸出，另一個用于提供模擬輸出。
由于比較器本質(zhì)上是一個 1 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此數(shù)字輸出設(shè)計為與各種邏輯系列接口，每個系列具有不同的高低閾值。集電極開路輸出可以是更復(fù)雜的電平轉(zhuǎn)換電路的一部分，以確保將數(shù)字輸入驅(qū)動到正確的電平。另一個數(shù)字技巧是“線或”多個輸出——將它們連接到一個上拉電阻，當(dāng)任何一個比較器的輸出為低時，整體輸出也為低。這在故障檢測和窗口比較器中很有用，其中多個比較器的輸出連接在一起。這對于互補輸出級是不可能的。另一個幽默軼事是，雖然運算放大器可以用作比較器，但比較器不能用作運算放大器- 輸出級根本沒有設(shè)計為在電源軌之間的電壓下工作。
然而，運算放大器的輸出更為復(fù)雜，因為它旨在以極低的失真準(zhǔn)確復(fù)制模擬信號。
另一點需要注意的是，運算放大器的輸出晶體管不是功率晶體管，因此不會像比較器一樣在其中一個軌上飽和運行。為了保持輸出飽和，運算放大器可能會消耗比正常情況更多的電流，這會導(dǎo)致發(fā)熱。由于基極中的存儲電荷，驅(qū)動輸出晶體管脫離飽和也可能需要更多時間。
然而，比較器輸出設(shè)計為完全飽和到軌，有時甚至具有抗飽和電路。這聽起來可能有悖常理，但對于基極-發(fā)射極電容相當(dāng)大的功率晶體管來說，擺脫飽和可能需要一些時間。出于這個原因，一些比較器的特點是在輸出晶體管接近飽和的情況下運行的電路，因此它們不會花時間擺動到另一個軌道。LM311就是一個很好的例子。
2.補償電容(CC)
運算放大器電路中存在“C C ”。這是在高頻下滾降運算放大器增益的補償電容器。這是對運算放大器的必要補充，其中直流穩(wěn)定性很重要——輸出不應(yīng)出現(xiàn)振蕩。這個電容也是運算放大器相對“慢”的主要原因——補償電容限制了輸出壓擺率。這意味著運算放大器需要有限的時間在電源軌之間移動其輸出。這(與飽和問題相結(jié)合)會導(dǎo)致用作比較器的運算放大器的響應(yīng)時間顯著延遲。
另一方面，比較器沒有這樣的限制。任何小的輸入差異都會導(dǎo)致輸出快速快速地擺動到電源軌，這在速度非常受重視的數(shù)字系統(tǒng)中是一件好事。
3.反向輸入引腳
運算放大器和比較器電路上的反相和非反相輸入是反向的(相對于充當(dāng)輸入晶體管有源負載的電流鏡)。這是因為比較器被設(shè)計為在開環(huán)配置(或具有正反饋)下保持穩(wěn)定，而運算放大器被設(shè)計為具有某種形式的負反饋。
4.輸入和輸出限制
運算放大器和比較器內(nèi)部電路的差異代表了“微觀”的差異。還有其他“宏觀”差異以每種類型的設(shè)備額定處理的輸入電壓范圍的形式表現(xiàn)出來。這與運算放大器和比較器設(shè)計使用的反饋類型有很大關(guān)系。
對于可以開環(huán)或正反饋工作的比較器，如果其中一個輸入高于或低于另一個，則輸出必須通過在其中一個軌上飽和(代表數(shù)字 0 或 1)來快速響應(yīng)。另一方面，設(shè)計用于外部負反饋網(wǎng)絡(luò)的運算放大器試圖通過改變輸出并希望外部網(wǎng)絡(luò)將輸入差分為零來保持兩個輸入相同。
顯而易見的結(jié)論是，比較器的輸入共模(和差分)電壓范圍比運算放大器大得多。
在接近電源軌的電壓下尤其如此，幾乎所有運算放大器的輸入(和輸出)都在幾伏或更多的電源軌范圍內(nèi)運行(存在軌到軌輸入和輸出運算放大器，但它們有自己的問題)，任何超出這些限制的偏移通常都會導(dǎo)致不良行為，如：
(1)較舊的運算放大器類型存在一個稱為“反相”的問題，即驅(qū)動輸入超出共模范圍會導(dǎo)致輸出反相——基本上是使輸出反相。
(2)輸入失調(diào)和輸入偏置電流在輸入電壓范圍內(nèi)不是恒定的。這是一個很明顯的問題，尤其是在 RRIO 運算放大器中。輸入過壓有時會激活保護鉗位二極管，將電流分流到任一電源軌。一些運算放大器甚至在兩個輸入端都有一對反并聯(lián)二極管， 任何大的差異都會立即被視為輸入阻抗的降低。這可能是也可能不是問題，具體取決于輸入。在線性模式下使用時，這些二極管不是問題，因為負反饋會嘗試將輸入差分保持為零。但是，當(dāng)在輸入電壓擺幅較大的情況下開環(huán)使用時，這些二極管會導(dǎo)通，從而降低輸入阻抗并導(dǎo)致過熱并最終損壞芯片。
小結(jié)
以上就是運算放大器與比較器的差別介紹了，雖然運算放大器和比較器可能看起來相似，但它們是不同，并且設(shè)計用于不同的應(yīng)用，因為運算放大器可以用作比較器，電壓比較器不能用作運算放大器，因為其非線性輸出級。
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