比較器(Comparator)和運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)都是電子電路中常見(jiàn)且重要的模擬器件，雖然兩者結(jié)構(gòu)相似，但功能和應(yīng)用有顯著差異。

定義及功能差異

比較器：主要用于比較兩個(gè)輸入電壓的大小，并輸出相應(yīng)的高或低電平信號(hào)。它是一種開(kāi)關(guān)器件，強(qiáng)調(diào)速度和開(kāi)關(guān)性能。

運(yùn)放：是一種線性放大器，主要用于信號(hào)的放大和處理，輸出與輸入信號(hào)成線性比例關(guān)系。它強(qiáng)調(diào)線性放大和高精度。

工作原理差異

比較器

比較器將兩個(gè)輸入端的電壓進(jìn)行比較，當(dāng)正輸入電壓高于負(fù)輸入電壓時(shí)，輸出飽和到高電平;反之，輸出飽和到低電平。輸出非線性，跳變迅速。

運(yùn)放

運(yùn)放在負(fù)反饋控制下工作，將輸入差分信號(hào)進(jìn)行放大，使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)成線性關(guān)系。其工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸出在放大范圍內(nèi)連續(xù)變化。

?運(yùn)算放大器(Op-Amp，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)和比較器的主要區(qū)別在于應(yīng)用場(chǎng)景、功能和電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)。?

應(yīng)用場(chǎng)景和功能

?運(yùn)算放大器?：主要用于線性放大和模擬運(yùn)算，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，適用于處理模擬信號(hào)。運(yùn)放可以通過(guò)調(diào)整反饋元件來(lái)改變放大器的增益和頻率響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)加法、減法、積分等功能?。

?比較器?：主要用于比較兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字輸出，輸出狀態(tài)只有高電平和低電平兩種，適用于處理數(shù)字信號(hào)。比較器常用于閾值檢測(cè)、脈沖寬度調(diào)制等應(yīng)用?。

電路設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)

?運(yùn)算放大器?：通常需要較高的直流增益和低頻增益，以實(shí)現(xiàn)精確的線性放大和模擬運(yùn)算。運(yùn)放內(nèi)部通常包含相位補(bǔ)償電路，適用于閉環(huán)操作，但速度相對(duì)較慢?。

?比較器?：更注重高速性能和單端輸出能力，以實(shí)現(xiàn)快速比較和數(shù)字信號(hào)輸出。比較器內(nèi)部沒(méi)有相位補(bǔ)償電路，適用于開(kāi)環(huán)操作，響應(yīng)速度快，通常在納秒(ns)數(shù)量級(jí)?。

結(jié)構(gòu)和輸出特性

?運(yùn)算放大器?：采用雙晶體管推挽輸出，具有對(duì)稱(chēng)的拉電流和灌電流能力。輸出級(jí)為推挽結(jié)構(gòu)，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載?。

?比較器?：通常使用一只晶體管，輸出為集電極開(kāi)路(OC)結(jié)構(gòu)，需要上拉電阻才能有對(duì)外輸出電流的能力。比較器輸出為單極性，容易與數(shù)字電路連接?。

?運(yùn)算放大器(Op-Amp，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)和比較器的主要區(qū)別在于應(yīng)用場(chǎng)景、功能和電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)。?

應(yīng)用場(chǎng)景和功能

?運(yùn)算放大器?：主要用于線性放大和模擬運(yùn)算，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，適用于處理模擬信號(hào)。運(yùn)放可以通過(guò)調(diào)整反饋元件來(lái)改變放大器的增益和頻率響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)加法、減法、積分等功能?。

?比較器?：主要用于比較兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字輸出，輸出狀態(tài)只有高電平和低電平兩種，適用于處理數(shù)字信號(hào)。比較器常用于閾值檢測(cè)、脈沖寬度調(diào)制等應(yīng)用?。

電路設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)

?運(yùn)算放大器?：通常需要較高的直流增益和低頻增益，以實(shí)現(xiàn)精確的線性放大和模擬運(yùn)算。運(yùn)放內(nèi)部通常包含相位補(bǔ)償電路，適用于閉環(huán)操作，但速度相對(duì)較慢?。

?比較器?：更注重高速性能和單端輸出能力，以實(shí)現(xiàn)快速比較和數(shù)字信號(hào)輸出。比較器內(nèi)部沒(méi)有相位補(bǔ)償電路，適用于開(kāi)環(huán)操作，響應(yīng)速度快，通常在納秒(ns)數(shù)量級(jí)?。

結(jié)構(gòu)和輸出特性

?運(yùn)算放大器?：采用雙晶體管推挽輸出，具有對(duì)稱(chēng)的拉電流和灌電流能力。輸出級(jí)為推挽結(jié)構(gòu)，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載?。

?比較器?：通常使用一只晶體管，輸出為集電極開(kāi)路(OC)結(jié)構(gòu)，需要上拉電阻才能有對(duì)外輸出電流的能力。比較器輸出為單極性，容易與數(shù)字電路連接?。

運(yùn)算放大器和比較器的基礎(chǔ)知識(shí)

快速瀏覽任何主要集成電路 (IC) 供應(yīng)商的產(chǎn)品組合，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量各種放大器 IC。其中包括眾所周知的運(yùn)算放大器 (op amp) 和其他更專(zhuān)業(yè)的放大器，例如儀表放大器、 電流檢測(cè)放大器、差分放大器和跨阻放大器，僅舉幾例。即使是看似基本的比較器 IC 也經(jīng)常被歸入放大器類(lèi)別。

雖然這些不同類(lèi)型的放大器之間有很多功能重疊，但每種放大器的設(shè)計(jì)都針對(duì)不同的功能或用例而打造。本文將仔細(xì)研究?jī)煞N常見(jiàn)的 IC——運(yùn)算放大器和比較器，并探討將運(yùn)算放大器用作比較器可能存在的缺陷。

運(yùn)算放大器和比較器概述

讓我們從非常高層次的角度來(lái)看一下這兩種類(lèi)型的 IC。乍一看，它們非常相似;甚至運(yùn)算放大器和比較器的電路符號(hào)也相同——一個(gè)三角形，具有正負(fù)輸入和單個(gè)輸出。但這兩種類(lèi)型的 IC 的實(shí)際設(shè)計(jì)和預(yù)期用途卻截然不同。

運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 為與負(fù)反饋一起工作，這意味著放大器的輸出連接到反相(負(fù))輸入。這種負(fù)反饋回路的構(gòu)造方式將決定放大器的運(yùn)行(因此得名)。示例包括創(chuàng)建低通或高通濾波器、放大器、積分器、電壓跟隨器等。由于這種負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為在線性區(qū)域內(nèi)工作，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在放大器的電源軌之間。

另一方面，比較器的輸出級(jí)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于飽和工作，這意味著輸出電壓始終接近一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌，而不是介于兩者之間。比較器中缺少負(fù)反饋和輸出級(jí)的設(shè)計(jì)是運(yùn)算放大器和比較器之間的巨大差異。

使用運(yùn)算放大器作為比較器

一般來(lái)說(shuō)，如果給定的設(shè)計(jì)需要比較器，最好直接使用比較器。這種設(shè)備是專(zhuān)門(mén)為該功能設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，因此將提供最佳結(jié)果。但在某些情況下，使用運(yùn)算放大器作為比較器功能很有吸引力。例如，如果給定的設(shè)計(jì)包含未使用的運(yùn)算放大器并且需要比較器，那么使用該運(yùn)算放大器作為比較器將節(jié)省時(shí)間、電路板面積和成本。考慮到這一點(diǎn)，讓我們探討一下將運(yùn)算放大器用作比較器的一些可能陷阱。

讓我們首先考慮一下運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。并非所有運(yùn)算放大器都提供軌到軌輸入級(jí)，因此必須小心確保在給定的應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的輸入共模范圍不會(huì)超出范圍。與輸入級(jí)有關(guān)的另一個(gè)可能的問(wèn)題是運(yùn)算放大器的差分輸入范圍。一些運(yùn)算放大器具有背靠背二極管，可防止反相和非反相輸入之間的移動(dòng)超過(guò)二極管壓降。這在雙極運(yùn)算放大器和一些高壓運(yùn)算放大器中更為常見(jiàn)。運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中的絕對(duì)最大額定值應(yīng)指示差分輸入范圍中的任何限制。

在評(píng)估運(yùn)算放大器是否能在您的應(yīng)用中正確用作比較器時(shí)，還需要考慮其輸出級(jí)的幾個(gè)因素。用作比較器時(shí)，輸出從一個(gè)電源軌轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源軌的速度將由放大器的斜率決定。必須小心確保最終比較器的速度對(duì)于給定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠快。還應(yīng)注意，在某些情況下，這可以被視為一種優(yōu)勢(shì);斜率將限制邊沿速率，從而減少與電磁干擾相關(guān)的問(wèn)題。如前所述，運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為在線性工作區(qū)內(nèi)工作，即在電源軌之間。當(dāng)放大器的輸出被強(qiáng)制到電源軌時(shí)，放大器輸出恢復(fù)時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)(如果有的話)。

最后，運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)為始終提供或吸收電流，因此無(wú)法通過(guò)開(kāi)漏輸出創(chuàng)建比較器功能。由于比較器本質(zhì)上具有模擬輸入和數(shù)字輸出(由輸入決定的兩種狀態(tài)之一)，因此比較器通常用于橋接不同的電路特性 - 例如將信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同的電壓范圍。因此，使用具有開(kāi)漏輸出的比較器非常常見(jiàn)。

在評(píng)估是否使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)，另一個(gè)考慮因素是滯后。具有滯后的比較器使用“上限”和“下限”閾值，其中輸入信號(hào)必須超過(guò)或低于這些相應(yīng)閾值，輸出才會(huì)轉(zhuǎn)換。這對(duì)于電氣噪聲或緩慢移動(dòng)的輸入信號(hào)非常有用。大多數(shù)比較器 IC 都提供內(nèi)置滯后，有些甚至提供可調(diào)滯后。將運(yùn)算放大器配置為開(kāi)環(huán)運(yùn)行的比較器(即沒(méi)有從輸出到輸入的反饋)將導(dǎo)致沒(méi)有滯后。但是，通過(guò)使用正反饋(將輸出信號(hào)的一部分反饋到運(yùn)算放大器的非反相輸入)，可以為配置為比較器的運(yùn)算放大器添加滯后。根據(jù)輸入信號(hào)的特性，這可能不是必需的，例如如果它是沒(méi)有噪聲的快速信號(hào)。

運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)與比較器(Comparator)在電子電路中扮演著不同的角色，盡管它們?cè)陔娐穲D上可能使用相似的符號(hào)，但兩者在功能、工作原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域等方面存在顯著差異。以下是對(duì)兩者區(qū)別的詳細(xì)分析：

功能差異

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的電路單元，主要用于模擬信號(hào)的放大、濾波、增益控制等處理。它內(nèi)含多級(jí)放大電路，包括差分放大電路作為輸入級(jí)，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力;中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù);輸出級(jí)則通常采用推挽電路，實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。運(yùn)放通過(guò)改變其內(nèi)部電路的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大、增益控制、頻率響應(yīng)控制等功能。

比較器

比較器則是一種用于比較兩個(gè)電壓或電流信號(hào)大小的電子設(shè)備或電路。它根據(jù)輸入信號(hào)的大小關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平的輸出信號(hào)。比較器的工作原理基于運(yùn)算放大器，但通常去掉了反饋回路，工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下。比較器廣泛應(yīng)用于模擬電路、數(shù)字電路以及混合信號(hào)電路中，如ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、電壓監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。

工作原理

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器的工作原理是通過(guò)放大輸入信號(hào)，使其達(dá)到所需的輸出電平。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)放通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊，以實(shí)現(xiàn)特定的信號(hào)處理功能。運(yùn)放的增益、帶寬、穩(wěn)定性等性能參數(shù)受到其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外部反饋網(wǎng)絡(luò)的影響。

比較器

比較器的工作原理則是基于輸入信號(hào)的大小關(guān)系來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)正輸入(非反相輸入)大于負(fù)輸入(反相輸入)時(shí)，輸出為高電平;當(dāng)正輸入小于負(fù)輸入時(shí)，輸出為低電平。比較器通常工作在非線性區(qū)域(開(kāi)環(huán))，其輸出狀態(tài)快速切換，以實(shí)現(xiàn)快速的信號(hào)比較功能。

性能特點(diǎn)

運(yùn)算放大器

高增益 ：運(yùn)放具有非常高的電壓增益，通常達(dá)到幾千到幾十萬(wàn)倍。

高輸入阻抗 ：運(yùn)放的輸入電阻非常高，對(duì)輸入電路幾乎不產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。

低輸出阻抗 ：運(yùn)放的輸出電阻非常低，可以承擔(dān)大電流輸出，同時(shí)保持穩(wěn)定的電壓輸出。

線性增益 ：在額定工作范圍內(nèi)，運(yùn)放具有非常好的線性增益特性。

可控制的增益 ：通過(guò)外部電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)放增益的調(diào)節(jié)。

寬頻帶 ：運(yùn)放具有較寬的頻帶，適用于高頻信號(hào)的放大。

比較器

快速響應(yīng) ：比較器的翻轉(zhuǎn)速度非常快，通常在納秒(ns)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)快于運(yùn)放。

數(shù)字輸出 ：比較器的輸出為數(shù)字信號(hào)(高電平或低電平)，便于與數(shù)字電路接口。

非線性工作區(qū) ：比較器通常工作在非線性區(qū)域(開(kāi)環(huán))，以實(shí)現(xiàn)快速的信號(hào)比較功能。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ：比較器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常只需要少量的外部元件。

應(yīng)用領(lǐng)域

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的處理領(lǐng)域，如信號(hào)的放大、濾波、增益控制等。此外，運(yùn)放還可以用于實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的加減乘除等運(yùn)算功能。在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，運(yùn)放也常被用于DAC(數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器)等電路中。

比較器

比較器則廣泛應(yīng)用于需要快速信號(hào)比較和處理的場(chǎng)合。在ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)中，比較器是不可或缺的關(guān)鍵組件之一。此外，比較器還常用于電壓監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路、信號(hào)整形、振蕩器構(gòu)建等領(lǐng)域。

比較器與運(yùn)放的區(qū)別

在電子電路中，比較器和運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)都是非常重要的元件，但它們各自的功能和應(yīng)用場(chǎng)景有所不同。以下是兩者的詳細(xì)對(duì)比：

比較器

定義：比較器是一種用于比較兩個(gè)輸入電壓并輸出高低電平信號(hào)的電路。它通常具有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)或低于該閾值時(shí)，輸出會(huì)發(fā)生改變。

類(lèi)型：常見(jiàn)的比較器有單限比較器、滯回比較器和窗口比較器等。

運(yùn)算放大器

定義：運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)Op-Amp)是一種具有高放大倍數(shù)、高輸入阻抗和低輸出阻抗的電子器件。它可以用于各種模擬信號(hào)處理任務(wù)，如加法、減法、乘法、除法以及積分和微分等。

特點(diǎn)：理想的運(yùn)算放大器具有無(wú)窮大的開(kāi)環(huán)增益、無(wú)窮大的輸入阻抗和零輸出阻抗。在實(shí)際應(yīng)用中，這些特性通過(guò)負(fù)反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

工作原理

比較器的工作原理

比較器的核心是比較功能，它將兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果輸出高電平或低電平信號(hào)。

例如，在單限比較器中，當(dāng)一個(gè)輸入電壓超過(guò)設(shè)定的參考電壓時(shí)，輸出為高電平;否則為低電平。

運(yùn)算放大器的工作原理

運(yùn)算放大器的工作基于其內(nèi)部的差分放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)配置不同的外部電阻和電容，可以實(shí)現(xiàn)各種線性或非線性的信號(hào)處理功能。

性能參數(shù)

比較器的性能參數(shù)

靈敏度：指比較器對(duì)輸入電壓變化的敏感程度。

精度：指比較器輸出的準(zhǔn)確性，即其輸出狀態(tài)與設(shè)定閾值的偏差。

響應(yīng)速度：指比較器從接收到輸入信號(hào)到輸出穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。

運(yùn)算放大器的性能參數(shù)

增益帶寬積：表示運(yùn)算放大器在一定頻率下的增益能力。

輸入失調(diào)電壓：指運(yùn)算放大器在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓偏移量。

電源抑制比：衡量運(yùn)算放大器對(duì)電源電壓波動(dòng)的抑制能力。