當(dāng)設(shè)計(jì)師希望在物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用的邊緣收集更多數(shù)據(jù)時(shí)，就需要采用一種簡(jiǎn)單的方法來檢測(cè)電壓、電流、溫度或壓力等測(cè)量值，以確定其是否高于或低于閾值。類似地，也通常需要知道所測(cè)的量在數(shù)值范圍之內(nèi)或之外。存在噪聲和干擾信號(hào)時(shí)很難在邊緣進(jìn)行這種判定，但是，如果能夠正確選擇并使用電壓比較器會(huì)有助于改善這種局面。

 

電壓比較器是一種用于電壓比較的電子器件，能夠比較輸入電壓與已知參考電壓并根據(jù)輸入是高于還是低于參考值來更改其輸出狀態(tài)。該功能滿足了檢測(cè)閾值交叉、零位和信號(hào)幅值是否在幅值范圍之內(nèi)或之外的要求。

 

本文將介紹電壓比較器的使用、特性及其關(guān)鍵的選型標(biāo)準(zhǔn)。本文以 Texas Instruments 的器件為例，討論如何使用電壓比較器檢測(cè)閾值和過零，以及時(shí)鐘恢復(fù)和張弛振蕩器應(yīng)用。

 

什么是電壓比較器？

 

電壓比較器是一種輸出邏輯狀態(tài)的電子器件，用于指示兩個(gè)輸入中電壓高的那個(gè)輸入（圖 1）。

所用比較器采用 Texas Instruments 的 TLV3201AQDCKRQ1 單比較器，該器件具有推挽輸出。像所有比較器一樣，該器件有兩個(gè)輸入。帶負(fù)號(hào) (-) 的反相輸入和帶正號(hào) (+) 的同相輸入。比較器輸入非常類似于運(yùn)算放大器輸入。主要區(qū)別在于比較器輸出是數(shù)字邏輯狀態(tài)而非模擬電壓。在圖 1 中，輸入是幅值為 200 毫伏 (mV) 的 1 兆赫茲 (MHz) 正弦波。當(dāng)同相輸入端的電壓大于反相輸入端的電壓時(shí)，輸出將處于高電平狀態(tài)，此時(shí)為 2.5 伏。當(dāng)同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時(shí)，輸出將變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，此時(shí)為 -2.5 伏。該比較器具有軌至軌輸出，因此輸出邏輯狀態(tài)可擴(kuò)展到電源電平。本例中，使用對(duì)稱的 2.5 伏正負(fù)電源并且反映在輸出電壓擺幅中。

 

一種考慮比較器的方法是，將其看作單位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 。如果配置為在過零時(shí)改變狀態(tài)，則其輸出本質(zhì)上是符號(hào)位。

 

該比較器的響應(yīng)時(shí)間為 40 納秒 (ns)，規(guī)定為傳播速度或延遲。這是從輸入端發(fā)生閾值交叉直到輸出端改變狀態(tài)為止的時(shí)間。傳播速度會(huì)影響比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度，而且實(shí)際中是帶寬相關(guān)的規(guī)范。TLV3201 還具有 1.2 mV 內(nèi)置電壓遲滯，可用于抵消信號(hào)輸入端的噪聲。

 

遲滯和噪聲

 

如果比較器輸入端存在噪聲或雜散信號(hào)，則可能會(huì)發(fā)生多次閾值交叉且輸出可能會(huì)隨著閾值交叉進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換（圖 2）。

 

 

解決這種有害的輸出轉(zhuǎn)換的方法是在比較器電路中增加幅值遲滯。遲滯會(huì)使比較器在其輸出超過閾值后保持其狀態(tài)，直到輸入幅值的變化量固定為止。這是通過將正反饋從比較器的輸出施加到比較器的輸入端來實(shí)現(xiàn)的，該反饋可以小增量的形式實(shí)現(xiàn)閾值偏移（圖 3）。

 

 

電阻 R3 將輸出反饋到參考輸入端，使得參考電平偏移由電阻器 R1、R2 和 R3 的阻值確定的一個(gè)較小的值。給定電阻值時(shí)，這將導(dǎo)致 400 mV 的遲滯，從而改變閾值，以使輸出狀態(tài)直到輸入超過遲滯幅值才改變。這樣的結(jié)果就是輸出在閾值交叉處進(jìn)行單轉(zhuǎn)換。

 

關(guān)于用來與圖 1 所示電路進(jìn)行比較的電路的一些注意事項(xiàng)。首先，反相和同相輸入已互換，導(dǎo)致輸出邏輯反相。當(dāng)信號(hào)低于閾值時(shí)，輸出為邏輯高電平。該電路特征用在檢測(cè)某個(gè)數(shù)值何時(shí)在數(shù)值范圍內(nèi)或范圍外的電路中。TLV3201 采用 5 伏單電源供電，而不是圖 1 所示的雙 2.5 伏供電。因此，參考電壓通過分壓電阻 R1 和 R2 獲得，具體為輸入端的 2.5 伏共模電壓。輸入信號(hào)也被偏置到該共模電壓。三角波的峰值電壓為 2 伏，偏置電壓為 2.5 伏。這種電路配置是一種常見的選擇。

 

檢測(cè)位于窗口內(nèi)或窗口外的值

 

單電壓比較器可以檢測(cè)輸入電壓是高于還是低于參考閾值。確定輸入電壓是否在兩個(gè)極限之間時(shí)（稱為開窗），需要使用兩個(gè)比較器，每個(gè)極限值使用一個(gè)比較器（圖 4）。

 

 

所示窗口電路采用了 Texas Instruments 的 TLV6710DDCR 雙電壓比較器。TLV6710 包含兩個(gè)用于高電壓應(yīng)用的高精度比較器。供電電壓可以在 1.8 至 36 伏之間。該器件包含一個(gè) 400 mV 內(nèi)部 DC 參考源。如圖所示，比較器輸出采用開漏連接，可以通過一個(gè)公共上拉電阻將其輸出連接在一起，進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算。比較器已接線，以便將參考電壓施加到其中一個(gè)比較器（比較器 A）的反相輸入端，非反向輸入施加到另一個(gè)比較器（比較器 B）。通過由電阻 R1、R2 和 R3 組成的分壓器施加輸入電壓，分壓器將下限閾值電壓設(shè)置為 3.3 伏，上限閾值電壓設(shè)置為 4.1 伏。當(dāng)輸入 VMON 在窗口內(nèi)時(shí)，比較器輸出為高電平（3.3 伏）。比較器 A 指示輸入電壓低于 4.1 伏，比較器 B 指示輸入電壓超過 3.3 伏。TLV6710 的內(nèi)部額定電壓遲滯為 5.5 mV，有助于抑制噪聲和小毛刺。

 

對(duì)于從高向低轉(zhuǎn)換，該比較器的傳播延遲通常為 9.9 微秒 (µs)，從低到高轉(zhuǎn)換時(shí)為 28.1 µs。這種差異是由于漏極開路輸出的配置引起的。從高到低轉(zhuǎn)換是通過輸出 FET 實(shí)現(xiàn)的有源下拉，而從低到高轉(zhuǎn)換則是通過電阻進(jìn)行的無(wú)源上拉，這就需要更多時(shí)間。該比較器用于電壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用，無(wú)需極低的傳播延遲。

 

窗口應(yīng)用

 

窗口可用于機(jī)器人技術(shù)，通過光線和兩個(gè) CDS 光電管來控制機(jī)器人的移動(dòng)方向。例如，硫化鎘 (CDS) 光電池在燈光下會(huì)改變電阻，黑暗環(huán)境下電阻較高而燈光下則電阻較小。TINA-TI 仿真使用 Texas Instruments LM393BIPWR 雙比較器說明了這一原理（圖 5）。

 

 

LM393B 比較器是一款雙比較器，具有集電極開路輸出，可以在 3 - 36 伏的電源電壓下運(yùn)行。在該電路中，每個(gè)部分都向兩臺(tái)電機(jī)中規(guī)定為左或右驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)提供控制信號(hào)。

 

電位計(jì)用于模擬兩個(gè) CDS 光電池。電位計(jì)設(shè)置為 0％ 到 40％ 表示右側(cè)光電池受到光照，而左側(cè)光電池則處于黑暗中。從 60％ 到 100％ 的設(shè)置表示光線主要照在左側(cè)光電池上，而右側(cè)光電池處于黑暗中。從 40％ 到 60％的兩個(gè)光電池都受到光照。當(dāng)發(fā)送至任一電機(jī)的電機(jī)控制信號(hào)為 +5 伏時(shí)，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。如果電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)為 0 伏，則電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

當(dāng)兩個(gè)光電池均受到光照時(shí)，兩個(gè)電機(jī)都向前運(yùn)行，從而使機(jī)器人向前直線移動(dòng)。當(dāng)電位計(jì)在 0％ 到 40％ 之間時(shí)，左電機(jī)向前運(yùn)行，右電機(jī)反向運(yùn)行，從而將機(jī)器人向右驅(qū)動(dòng)。在 60％ 到 100％ 的區(qū)域時(shí)，右電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，左電機(jī)反向，則機(jī)器人向左移動(dòng)。

 

比較器的參考電平來自分壓器，右控制器的參考電壓設(shè)為 2 伏（電位計(jì)的 40％），左控制器的參考電壓設(shè)為 3 伏（電位計(jì)的 60％）。

 

弛張振蕩器

 

通過使用正負(fù)反饋，可以將比較器配置為弛張振蕩器（圖 6）。

 

 

可以使用圖 6 所示的電路創(chuàng)建具有方波輸出的齒張振蕩器（也稱為不穩(wěn)定多諧振蕩器）。振蕩頻率由 R1 和 C1 的電阻電容時(shí)間常數(shù)確定。當(dāng) C1 最初放電（0 伏）時(shí)，反相輸入電壓低于同相輸入端的參考電壓。輸出被強(qiáng)制為 5 伏。電容器 C1 通過 R1 充電至參考電壓，此時(shí)輸出降至 0 伏。C1 通過 R1 放電直到其降至參考電壓以下，然后重復(fù)該循環(huán)。參考電壓已添加了遲滯（正）反饋。當(dāng)輸出為 0 伏時(shí)，參考電壓為 2.5 伏。當(dāng)輸出為 5 伏時(shí)，參考電壓將增加約 1.7 伏，從而使其達(dá)到 4.2 伏。如圖所示，瞬態(tài)響應(yīng)顯示了輸出 (Vo) 和電容器 (Vc) 的電壓波形。

 

最大振蕩頻率受比較器傳播延遲的限制。本例中，采用具有 40 ns 傳播延遲的 Texas Instruments TLV3201 用于構(gòu)建 10 MHz 振蕩器。該頻率非常接近該比較器的最大值。

 

時(shí)鐘的恢復(fù)與還原

 

通過背板和電纜傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)會(huì)因帶寬限制、碼間干擾 (ISI)、噪聲、反射和串?dāng)_導(dǎo)致性能下降。比較器可用于恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)并將其恢復(fù)為更清晰定義的形式（圖 7）。

 

 

在這類型應(yīng)用中，傳播延遲更為關(guān)鍵。比較器可以跟蹤的最大頻率是傳播延遲和輸出轉(zhuǎn)換時(shí)間的函數(shù)：
 

 

其中：fMAX 是最大觸發(fā)頻率

tRise 是輸出上升時(shí)間

tFall 是輸出下降時(shí)間

tPD LH 是從低到高的傳播延遲

tPD HL 是從高到低的傳播延遲

 

Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB 使用 5 伏工作電源，上升時(shí)間為 1.3 ns，下降時(shí)間為 1.25 ns，兩個(gè)轉(zhuǎn)換方向的典型傳播延遲為 7 ns。這樣產(chǎn)生的最大觸發(fā)頻率為 60.4 MHz。即使采用 2.7 伏電源、更長(zhǎng)的傳播延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，該比較器速率的最大跳變約為 35 MHz，也足以滿足該 20 MHz 時(shí)鐘的需求。

 

除了極低的傳播延遲外，LMV7219 還集成了一個(gè)軌至軌推挽輸出級(jí)，這意味著較短且均勻的上升和下降時(shí)間。該器件還具有 7.5 mV 內(nèi)部遲滯，能最大程度地減少噪聲影響。

 

結(jié)論

 

比較器是連通模擬和數(shù)字世界的橋梁，無(wú)論用于邊緣 IIoT、AI 或 ML 信號(hào)電平和窗口化，還是用于零檢測(cè)、時(shí)鐘恢復(fù)，再或者用作振蕩器，電壓比較器都將是一種特別有用的工具。

（來源：Digi-Key，作者：Art Pini）