浅谈运放和比较器（既生瑜何生亮运放）

我们知道运放可以配置成比较器电路，但市面上还有一种比较器芯片，比如：LM311、LM393 等。这是为啥？为啥运放明明可以配置成比较器电路，还要生产专门的比较器芯片。今天我们来学习一下比较器芯片和运放电路的区别。

缺点一

运放芯片的第一个问题就是运放的输出电压很难做到轨到轨(Rail-to-Rail)，也就是说运放的输出很难达到正电源电压。

LM358 数据手册中的共模电压范围显示，其输出的最大电压为正电源电压减去 1.5：

共模电压

下面是运放芯片 LM358 内部电路的差分输入级（Input Stage）:

差分输入级

电压放大级(Voltage Amplifier Stage)：

电压放大级

输出级（Output Stage）是一个推挽电路：

输出级

运放内部电路中的这些三极管会产生一定的压降，因此输出电压不可能达到完全饱和，它总是和电源电压有一定的差距：

无法轨到轨

图中 Rail 表示正轨或正电源电压；-Rail 表示负轨或负电源电压。黄色波形是输入波形，蓝色波形是输出波形。

请记住运放被设计用于在线性放大区域工作而不适合在轨到轨（正负电源）电源之间摆动输出。

相比之下，通用比较器芯片仍然具有类似的差分输入级：

差分输入级

比较器的输出为集电极开路 (Open Collector)输出和漏极开路（Open Drain）输出, 因此其输出完全可以达到轨到轨，也就是输出电压可以达到电源电压：

输出级

我们可以通过在比较器芯片外部加一个上拉电阻，然后将开漏输出引脚接到负电源的方式，将其输出驱动到完全饱和或截止：

完全饱和或截止

运放比较器电路

我们通过一个具体的电路看一下运放的输能否做到轨到轨（Rail-to-Rail）。

下图是一个典型的运放比较器电路：

运放比较器电路

两个10k 电阻构成分压器接到反相输入引脚，提供一个比较参考电压 5 伏。正弦信号输入到同相引脚。同相输入引脚我们输入一个以 5 伏为中心的正弦波，这会在输出引脚输出一个方波。

面包板上组装好的电路如下：

面包板上的运放比较器电路

波形如下：

运放比较器电路波形

紫色波形是接到同相输入的正弦波，青色是输出波形，黄色是正电源电压。

可以看到输出波形的峰值达不到正电源电压，我们用示波器光标测量功能测量其和正电源电压的差距是 1.43 伏，接近数据手册中的 1.5 伏：

遥不可及的梦

比较器芯片电路

下图是一个用比较器芯片 LM311 搭建的和上面的运放比较器电路功能相同的电路：

注意其输出需要接上拉电阻。

在面包板上组装完成的 LM311 比较器电路：

面包板上的比较器芯片电路

LM311 比较器电路波形：

比较器芯片 LM311 波形

可以看到输出电压已基本和正电源电压重合了，做到了轨到轨（Rail-to-Rail)。

缺点二

运放或运放比较器电路的第二个缺点就是其输出响应很慢。

我们看运放芯片内部有一个小小的补偿电容：

运放芯片 LM358 内部的补偿电容

而比较器芯片内部则没有这颗电容：

比较器芯片 LM311 内部没有补偿电容

运放内部的补偿电容导致了运放的输出响应相对通用比较器芯片而言有点慢。

下图中黄色波形是运放比较器电路的输出，青色波形是比较器芯片输出波形：

运放输出响应慢

可以看到比较器芯片输出可以达到 10 伏的正轨电压，比较器能够快速达到正轨电压，而运放受制于较低的压摆率响应速度相对而言有些慢。

我们放大波形看看:

输出响应时间比较

我们测量波形的上升时间，即波形从10% 上升到 90% 所需的时间。 可以看到比较器以 4.76 微秒的速度快速上升。 受限于较低其压摆率，运放的上升时间达到了 28 微妙。

傻人有傻福

我们通过另一个例子来体会一下专用比较器芯片的快速响应速度。

运放比较器电路

下面是一个运放比较器电路：

运放比较器电路

两个 10k 的电阻构成的分压器为同相引脚提供 2.5 伏的比较参考电压。可调电阻接到反相引脚，其可调电压范围为 0~5 伏：

当 2 脚电压 > 2.5 伏时，输出为 GND, LED 点亮；

当 2 脚电压 < 2.5 伏时，输出为 5伏, LED 熄灭。

面包板上组装好的电路如下：

面包板上组装好的运放比较器电路

来回旋转可调电阻，可以反复点亮或熄灭 LED。

探头接在运放输出引脚（1脚）上，时基为 2ms ， LED 由亮到灭时波形截图如下：

比较器电路波形

看上去一切正常，很好。

比较器芯片电路

我们使用比较器芯片 LM311 搭建上面的比较电路，电路图如下：

比较器芯片 L:M311 电路

面包板上组装好的电路如下：

面包板上组装好的电路

来回旋转可调电阻，可以反复点亮或熄灭 LED。

我们把示波器探头放到比较器芯片输出引脚 7 上，看看波形。触发方式设置为正常， 这样只有发生触发时波形才会刷新，否则波形不动。我们将时基调整到 2ms 时， 旋转电位计，LED 由亮到灭时截取的波形如下：

输出波形有毛刺

可以看到 LED 由亮到灭时波形有很多毛刺（或者振荡）。

将波形放大看看：

输出波形有振荡

为啥会产生这些振荡？

要知道这个世界上没有完美的信号，信号上总是多多少少有一些噪音。电位计输出的电压不是稳定的它有一定的噪音，在调节电压接近同相引脚的参考电压时，这些上下抖动的噪音会导致比较器输出抖动。不要忘了运放（比较器也是一个运放）是对两个输入引脚的压差非常敏感的，只要这两者之间的压差比零大一点，哪怕是非常小，也会被放大反应到输出引脚上。

我画了一个简单的图来说明这个问题：

输入信号有噪音，导致输出振荡

可以看到输入信号在接近参考电压 2.5 伏时，其上面的噪音会在 2.5 伏上下抖动，导致输出也跟着抖动。

问题的解决很简单，把比较器配置成施密特触发器就可以了，具体可以参考我的另一篇文章：运放教程2-正反馈电路。 这里我们在输出引脚和同相引脚之间加一个10k的电阻即可。

加上正反馈电阻后的波形截图：

可以看到波形干净利落，没有任何杂波。

前面运放组成的比较器电路反而没有这个问题，那是因为运放的输出响应时间相对于专用比较器芯片来说太慢了，它没能捕捉到输入信号上的噪音，这也算傻人有傻福吧。比较器芯片能够快速捕捉输入信号的变化，虽然在输入信号有噪音时这可能会导致一些问题，但是对于一些要求快速响应的信号你就必须得使用专用比较器芯片了。

LM311 的响应时间可达 165 纳秒:

165 纳秒

总结

今天我们学习了比较芯片，这道了比较器芯片相对运放芯片来说至少具有下面两个优点：

1. 输出可以做到轨到轨
2. 快速的响应时间

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