【導讀】輸入共模電壓范圍（通?？s寫(xiě)為 V_CM 或 V_ICR）這一術(shù)語(yǔ)在模擬領(lǐng)域得到廣泛認可，但在比較器領(lǐng)域卻難以讓人理解。對于放大器，V_CM 定義為施加到兩個(gè)輸入端的平均電壓。但是對于比較器，其含義完全不同。

比較器的正常運行意味著(zhù)兩個(gè)輸入端交叉，從而導致輸出發(fā)生變化。我們來(lái)分析一下圖 1 所示的同相比較器配置，其瞬態(tài)行為如圖 2 所示。

圖 1：同相比較器配置

圖 2：同相比較器瞬態(tài)行為

在圖 2 中，如果同相端（橄欖綠色）電壓大于反相端（紅色）電壓，則輸出（綠色）為高電平。如果反相端電壓大于同相端電壓，則輸出為低電平。比較器的輸入 V_CM 是兩個(gè)輸入電壓相互交叉的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。仍可確保正常運行的開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓范圍稱(chēng)為比較器的輸入 V_CM。

表 1 顯示了 LM393 的 V_CM，其范圍為負電源電壓 V– 至低于正電源電壓 V+ 1.5V 或 2V，具體取決于器件的溫度。

表1：來(lái)自 LM393 數據表“表 6.7 電氣特性”

如果在室溫下使用 3.3V 電源為該器件供電，則該器件的輸入 V_CM 介于接地和 1.8V 之間。如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)移至高于 1.8V，則器件可能無(wú)法正常工作。如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓超出 V_CM 的范圍，則可能會(huì )導致運行不正常。

什么限制了輸入 V_CM？

比較器的輸入級限制了輸入 V_CM。讓我們首先看一下 TL331 數據表中的功能方框圖（圖 3）。輸入級包含一個(gè) P 溝道、N 溝道、P 溝道 (PNP) 差分對，其發(fā)射極連接到一個(gè)電流源。為了使差分對上的 PNP 晶體管導通，發(fā)射極到基極需要存在電壓降 (VEB)（對于 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置，為基極到發(fā)射極壓降 [V_BE]）。

圖 3：TL331 功能方框圖

電流源通常是電流鏡，如圖 4 所示。要使電流源工作，Q2 的發(fā)射極至集電極電壓需要超過(guò)最小正向有效電壓要求 (V_{EC (Sat)})。

圖 4：PNP 電流鏡

隨著(zhù)比較器輸入電壓的增加，可滿(mǎn)足差分對晶體管的 V_EB 導通和電流鏡晶體管的 V_{EC (Sat)} 的余量越來(lái)越小。當這種情況發(fā)生時(shí)，V_EC 開(kāi)始減小，而 V_EB 仍然保持穩定。當 V_{EC (Sat)} 不超過(guò) Q2 時(shí)，電流鏡的電流產(chǎn)生能力顯著(zhù)降低，因此一些比較器的 V_CM 會(huì )上升到低于電源電壓的值。其他具有 NPN 晶體管輸入級的器件指定的 V_CM 范圍為某個(gè)值至正電源電壓。

為何即使在超過(guò)數據表上輸入 V_CM 的情況下設計也能有效

數據表中的 V_CM 值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能?；仡檲D 4 中的 TL331 示例，可知 V_BE 和 V_CE 隨溫度波動(dòng)。

圖 5、6 和 7 顯示了 LM393 在與圖 1 類(lèi)似的同相配置下的性能。在這種情況下，電源電壓設置為 5V。100Hz、1 Vpp、3.9 V_DC 斜坡波形（黃色）連接到同相端，同時(shí)將 3.9 V_DC 基準信號（紫色）施加到反相端。這是一個(gè)應用示例，其中 3.9V 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)超出了 V_CM 的范圍；對于該電源，兼容的 V_CM 為 3V 或更低。

在室溫下，比較器在超過(guò) 3.9V 時(shí)工作并切換，如圖 5 所示。比較器在溫度升高時(shí)也能工作，如圖 6 所示。當冷卻器件時(shí)，它開(kāi)始出現故障，如圖 7 中的輸出（綠色）所示。

圖 5：LM393 在 V_CM 范圍之外的室溫性能

圖 6：LM393 在 V_CM 范圍之外的高溫性能

圖 7：LM393 在 V_CM 范圍之外的低溫性能

當降低輸入電壓以確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)處于器件的 V_CM 范圍之內時(shí)，該器件在所有溫度范圍內都能正常工作。斜坡波形現在處于 2V 的較低直流失調電壓（以 2V 為基準），確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)處于 V_CM 范圍之內。圖 8、9 和 10 顯示了 LM393 如何在整個(gè)溫度范圍內正常工作。

圖 8：LM393 在 V_CM 范圍之內的室溫性能

圖 9：LM393 在 V_CM 范圍之內的高溫性能

圖 10：LM393 在 V_CM 范圍之內的低溫性能

可通過(guò)單個(gè)單元獲取所有這些示波器捕獲。如果要測試另一個(gè) LM393 樣片，則指定 V_CM 范圍之外的性能可能會(huì )有所不同。在室溫下，V_CM 上限可能與所測試的單元不同。這稱(chēng)為工藝偏差，其中性能可能會(huì )因批次差異或不一致的制造工序而有所變化。

該偏差的最后一個(gè)部分是電壓偏差。在不同的電源電壓下，器件的行為可能會(huì )有所不同。在圖 6、7 和 8 的設置中，如果電源電壓增加到允許的 36V 上限，且發(fā)生同樣的超出 V_CM 范圍的情況，則性能可能會(huì )有所不同。在使用比較器設計系統時(shí)，必須使輸入處于 V_CM 范圍之內，以避免這些問(wèn)題。

結語(yǔ)

當任一輸入超出范圍時(shí)，輸入 V_CM 可能會(huì )導致器件無(wú)法正常工作。超出該范圍會(huì )導致比較器輸入級的偏置出現問(wèn)題。請謹記，如果一個(gè)或兩個(gè)輸入端電壓處于數據表規格之外，則超出了 V_CM 的范圍。即使系統在超出 V_CM 范圍的情況下能夠正常工作，它也可能在不同的電源電壓、工作溫度下或更換集成電路時(shí)無(wú)法正常工作。在創(chuàng )建使用比較器的系統時(shí)，應使每個(gè)輸入信號處于輸入 V_CM 的數據表規格范圍之內，以維持 PVT 的功能。

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