中心論題：
- 普通比較器應用于精密電壓檢測時(shí)遇到的問(wèn)題
- 介紹了一款新的精密比較器
解決方案：
- LMP7300具有獨立比較器功能
- LMP7300滯后控制功能
比較器是一種得到廣泛使用的電路元件。在許多情況下，如方脈沖整形電路中，電壓比較的精度不是很關(guān)鍵，電壓值可以在幾百毫伏范圍內變化而不影響電路性能。然而，也有許多應用要求非常精確的比較電壓，而且這些電壓要求具有很小的漂移，不會(huì )與遲滯電路發(fā)生交互影響。本文討論了將普通比較器應用于精密電壓檢測時(shí)遇到的問(wèn)題，并介紹了一款新的能夠克服這些問(wèn)題的精密比較器。
比較器是一種高增益放大器，可以放大輸入端很小的差分信號，并驅動(dòng)輸出端切換到兩個(gè)輸出狀態(tài)中的一個(gè)。圖1是基本的比較器電路，可以用在反相或同相配置中。輸入信號與門(mén)限電壓VTH進(jìn)行比較，輸出端根據輸入信號是小于還是大于VTH而改變其狀態(tài)。
圖1B和1D給出了比較器電路的轉換函數。同相比較器被定義為在輸入信號大于門(mén)限電壓時(shí)輸出為正的比較器，而反相比較器被定義為輸入信號大于門(mén)限電壓時(shí)輸出為負的比較器。
比較器的增益決定了將輸出驅動(dòng)到高或低輸出狀態(tài)所要求的差分輸入電壓。例如，如果比較器的增益為80dB，即10,000倍，并且供電電壓為5V，那么把輸出驅動(dòng)為高或低狀態(tài)所需的輸入差分電壓只需0.5mV。這種情況下，很容易因為信號上或比較電壓VTH上的噪聲而在比較器輸出端產(chǎn)生多次狀態(tài)變化的問(wèn)題。
圖2中的示波器圖形，顯示了一個(gè)有較小噪聲的輸入信號、以及它對圖1C所示的反相比較器輸出狀態(tài)的影響。在圖2中，綠色線(xiàn)條代表的是輸入信號VS，藍色線(xiàn)條代表的是門(mén)限電壓VTH，而黃色線(xiàn)條代表的是比較器的輸出VO。
圖2所示的比較器輸出信號下降沿的波動(dòng)可以利用正反饋消除，因為正反饋可以用來(lái)增加比較器的滯后效應。圖3給出了圖1所示比較器的應用原理圖，其中反饋電阻RF和Ri增加的正反饋和滯后功能也顯示于轉換函數的圖形中。
正反饋增強了信號電壓與轉變點(diǎn)參考電壓VTH之間的差異，并產(chǎn)生兩個(gè)門(mén)限值：一個(gè)用于正方向變化的輸入信號，一個(gè)用于負方向變化的信號。它們在圖3中分別被標記為L(cháng)STV(下位狀態(tài)轉換電壓)和USTV(上位狀態(tài)轉換電壓)。滯后功能將抑制小于滯環(huán)寬度的噪聲幅度，并阻止出現多次輸出狀態(tài)轉變。
討論具有滯后功能的比較器需要引入一個(gè)新的術(shù)語(yǔ)：狀態(tài)轉換電壓，它被定義為導致比較器輸出狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)的實(shí)際信號電壓值。狀態(tài)轉換電壓有兩個(gè)獨特的值，具體取決于比較器輸出電壓；VTH是門(mén)限電壓(或閥值電壓)，也是理想的比較電壓。
STV即狀態(tài)轉換電壓的縮寫(xiě)，它是輸出狀態(tài)改變時(shí)的信號電壓。STV有兩個(gè)值：USTV，即上位狀態(tài)轉換電壓的縮寫(xiě)，是比門(mén)限電壓更大的STV；LSTV，即下位狀態(tài)轉換電壓的縮寫(xiě)，是比門(mén)限電壓更小的STV。
圖4中的示波器圖形是圖3中的反相比較器增加了滯后功能后的效果。其中綠色線(xiàn)條代表的是輸入信號VS，黃色線(xiàn)條是輸出信號VO，而藍色線(xiàn)條是比較器+IN引腳上的電壓。該圖顯示了增加滯后功能后門(mén)限電壓的階躍函數，從而產(chǎn)生了USTV和LSTV。
在該圖中，輸入信號已經(jīng)被稍稍向上偏移了一些，以便展示滯后步驟的細節。
雖然滯后可以消除狀態(tài)轉換期間的輸出波動(dòng)，但狀態(tài)轉換電壓的實(shí)際值的精度將有所下降。沒(méi)有滯后效應時(shí)，VTH、USTV和LSTV的值是相等的。
有了滯后功能后，USTV和LSTV將受到反饋電阻精度、比較器輸出飽和電壓、VTH值以及任何與信號源或門(mén)限電壓源有關(guān)的源阻抗的影響。
參考圖3A，該圖顯示的是不帶滯后功能的同相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式1：
等式1忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。輸出電壓VO有兩個(gè)值，一個(gè)是VOL，即輸出低飽和電壓，一個(gè)是VOH，即輸出高飽和電壓，因此+IN電壓有兩種計算結果。輸出飽和電壓值在大多數數據手冊中都有規定。狀態(tài)轉換電壓是輸入信號VS在+IN=VTH時(shí)的值。
等式2給出了同相下位狀態(tài)轉換電壓：
等式3給出了同相上位狀態(tài)轉換電壓：
圖3C是帶滯后功能的反相比較器，+IN引腳上的電壓等于等式4：
等式4也忽略了輸入偏置電壓和輸入偏置電流的影響。
等式5給出了反相下位狀態(tài)轉換電壓：
等式6給出了同相上位狀態(tài)轉換電壓：
拿同相比較器為例，等式2和3可以用來(lái)計算一系列曲線(xiàn)以表明這種滯后效應對實(shí)際狀態(tài)轉換電壓的影響，以及圍繞VTH的滯后電壓位置。
圖5是VTH在0到5V范圍內變化時(shí)得到的狀態(tài)轉換電壓圖。該圖疊加了兩個(gè)節點(diǎn)。
標記為+IN=VTH的黃線(xiàn)是+IN=VTH時(shí)的圖形，它代表了比較器輸入端的電壓，是比較器輸出端改變狀態(tài)時(shí)的點(diǎn)組成的曲線(xiàn)。
標記為USTV的綠線(xiàn)以及標記為L(cháng)STV的藍線(xiàn)分別是上位和下位狀態(tài)轉換電壓的圖形。
這些值是在+IN等于VTH、RF=100kW、Ri=20kW、VOL=0.0V和VOH=5.0V時(shí)用等式2和3算出來(lái)的。這里選用了正反饋的較大值以便清晰地表明結果。在電路工作期間，當VS信號高于上位狀態(tài)轉換電壓時(shí)，比較器的輸出將切換到高輸出狀態(tài)；當VS低于下位狀態(tài)轉換電壓時(shí)比較器的輸出則切換到低輸出狀態(tài)。
這帶來(lái)的主要影響是當門(mén)限電壓值變化時(shí)滯后效應不對稱(chēng)。滯后曲線(xiàn)的位置不是以門(mén)限電壓為中心(只有一個(gè)點(diǎn)例外)并且取決于VTH。
對有些比較器應用而言，狀態(tài)轉換電壓的精度不是關(guān)鍵，但還是有許多應用可以從精確、容易受控的狀態(tài)轉換電壓受益。
“劑量調節”就是這類(lèi)應用之一，其中的“劑量(Dose)”是速率的積分。例如，如果一個(gè)管道中的液體流速為每分鐘1加侖，那么劑量或一定時(shí)間間隔內液體的總量就是總液體數量或這段時(shí)間內流動(dòng)速率的積分。
作為本例的一個(gè)具體應用是醫療X射線(xiàn)放射量測定，它用于控制X射線(xiàn)膠片的曝光。在X射線(xiàn)診斷過(guò)程中，對X射線(xiàn)膠片進(jìn)行精確地曝光控制有助于減少病人接受的X射線(xiàn)。
針對這個(gè)應用的電路如圖6所示。
該電路由兩個(gè)功能組成：一個(gè)是電離室，它能檢測X射線(xiàn)，并產(chǎn)生正比于X射線(xiàn)強度的電流IIC；另一個(gè)是由放大器A1和電阻RF組成的跨阻放大器(TIA)，用來(lái)將電離室電流轉換成電壓： Dose = IIC x RF
放大器A1是針對非常低輸入偏置電流(典型3fA)設計的LMP7721，它非常適合放大源阻抗較高的信號，如電離室。放大器A2是一個(gè)用來(lái)測定劑量的積分器，它是劑量速率的積分：
當引腳1的積分器輸出與引腳2的門(mén)限電壓相等時(shí)，比較器LMP7300會(huì )指示所需劑量已達到。
在這類(lèi)應用中，所需劑量取決于多種因素，如被照射X射線(xiàn)的物體密度。
圖6中的12位DAC用來(lái)設置比較器的門(mén)限電壓。LMP7300具有一個(gè)精確穩定的2.048V參考電壓，這個(gè)參考電壓被放大器A3放大到4.096V，并成為DAC的電壓參考，而DAC則向LMP7300比較器提供可編程門(mén)限電壓。
該應用的另一個(gè)特點(diǎn)是使用LM2787和LM285-2.5為放大器A1和A2產(chǎn)生-0.25V的供電電壓。這個(gè)很小的負電壓可以使放大器輸出擺幅為0V，并根據速率和劑量信號改變放大器A1和A2的輸出飽和電壓到0V左右。
用于這類(lèi)應用的比較器需要具有一個(gè)精確門(mén)限電壓，該門(mén)限電壓要能在一定范圍內是可編程的，以便優(yōu)化膠片曝光。門(mén)限電壓應獨立于滯后電壓值、門(mén)限電壓值、比較器的輸出飽和電壓和反饋電阻容差。像LMP7300這樣的精密比較器就可以提供這些性能。具有獨立比較器功能和滯后控制功能的LMP7300如圖6所示。
另外，控制USTV的正向滯后和控制LSTV的反向滯后電路都具有獨立的控制輸入。這個(gè)重要特點(diǎn)如圖7所示，該圖給出了輸入信號和滯后控制組合下的比較器轉換函數。這個(gè)比較器有效地將代表了理想比較電壓的門(mén)限電壓與USTV和LSTV分開(kāi)來(lái)，從而在提供精確信號比較的同時(shí)仍能提供滯后功能。
LMP7300的滯后值受控于VREF電壓和施加于HYSTP和HYSTN引腳電壓之間的電壓差。圖7A和7D顯示了兩種可能的滯后連接。如果一個(gè)滯后引腳被直接連接到VREF電壓，那部分滯環(huán)就會(huì )被刪除。參考圖6，滯后電壓值約為20mV:
由于滯后電壓獨立于VTH電壓，因此R5和R6不要求是精密電阻。無(wú)需改變VTH值，滯環(huán)寬度要多寬就可以多寬。
