運算放大器與比較器的差異:使用方式、輸出級、速度、相位補償比較

兩者的符號都是相同的三角形,也都會大幅放大 2 個輸入的電壓差,但設計目的不同。運算放大器以加上負回授使用為前提,內含相位補償以免振盪,讓輸出以類比電壓平滑地變化。比較器在開迴路下使用,設計成以 H 或 L 的 2 值快速輸出 2 個電壓的大小關係,沒有相位補償,輸出也容易接到邏輯電路。因此,以運算放大器代替比較器會很慢,對比較器加上負回授則容易振盪。

項目運算放大器比較器
主要使用方式加上負回授,以外部的電阻與電容決定增益與頻率特性在開迴路下(或為了遲滯而加上正回授)使用,判定電壓的大小
輸出隨輸入連續變化的類比電壓H 或 L 的 2 值。通常飽和在其中一邊
輸出級推挽。也有可擺動到接近電源的軌對軌產品開汲極(開集極),或配合邏輯準位的推挽
相位補償內建。許多產品在負回授下增益為 1 也不會振盪沒有。因此切換得更快
表示速度的指標增益頻寬積(GBW)與迴轉率傳播延遲時間(依產品為數 ns 至數 µs),以及輸出的上升與下降時間
從飽和恢復不預期在飽和狀態下使用。恢復可能需要時間,多半沒有規定以反覆飽和與反轉為前提設計,能快速切換
遲滯通常不使用以外部電阻加上正回授,或使用內建遲滯的產品,防止雜訊造成輸出抖動
輸入負回授使 2 個輸入的電壓保持幾乎相等(虛短路)。也有在輸入之間具有保護二極體的產品以 2 個輸入之間有大電壓差為前提。許多產品容許大的差動電壓
替代若可容許較慢的速度,且輸出準位相符,有時可代替比較器不能代替運算放大器。加上負回授容易振盪
主要用途放大、濾波器、緩衝器、積分電路、感測器訊號調理臨界值偵測、零交越偵測、電壓監視、快閃型 ADC、PWM 產生

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

運算放大器
想以類比的形式放大訊號,或製作濾波器、緩衝器時。加上負回授,讓輸出連續變化的用途。
比較器
想快速且確實地判定電壓是否超過臨界值,並傳給邏輯電路時。電池電壓監視、零交越偵測、ADC 內部的比較等。
以運算放大器代用
響應慢也無妨,且輸出電壓的準位符合後級電路時。先在資料手冊中確認輸入差動電壓的範圍與飽和時的動作再使用。

常見問題

可以用運算放大器代替比較器嗎?

若是速度慢也無妨的用途,有時可以使用。但是,為了相位補償,切換較慢,從飽和恢復也需要時間,輸出的 H 與 L 電壓也可能不符合邏輯電路。在輸入之間具有保護二極體的產品中,施加大的差動電壓會有電流流過,需要注意。

對比較器加上負回授會怎樣?

多數情況下會振盪。比較器為了快速切換而沒有相位補償,負回授迴路的相位裕度會不足。放大等用途應使用運算放大器。

為什麼要對比較器加上遲滯?

因為輸入在臨界值附近緩慢變化時,些微的雜訊就會讓輸出在 H 與 L 之間來回切換許多次。以正回授將輸入上升時與下降時的臨界值錯開(施密特觸發器),輸出就只會切換 1 次。

為什麼比較器的輸出多為開汲極?

因為只要改變上拉的電壓,就能直接連接到與比較器電源不同電壓的邏輯電路。此外,也能將多個比較器的輸出接在 1 條線上,只要任 1 個有反應就變成 L(線及)。

理解度檢測

下列哪一項是比較器的正確功能?

  1. A將輸入電壓對時間積分
  2. B比較兩個輸入電壓的大小,並以二值(H或L)輸出結果
  3. C輸出與輸入電壓成正比的電壓
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正確答案:B. 比較兩個輸入電壓的大小,並以二值(H或L)輸出結果

比較器判定兩個輸入電壓何者較大,並輸出H或L兩個值。與運算放大器不同,它設計成不施加負回授,並能從飽和狀態迅速恢復,以開汲極輸出等方式可直接連接邏輯電路。用於AD轉換器的判定、過電壓與低電壓的監測、零交越偵測。為了防止輸出因雜訊而抖動,有時也會加入遲滯。

在施加負回授的理想運算放大器電路中,兩個輸入端子電壓大致相等的性質稱為什麼?

  1. A迴轉率
  2. B偏移
  3. C虛短路(imaginary short)
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正確答案:C. 虛短路(imaginary short)

對開迴路增益A非常大的運算放大器施加負回授時,輸出會在有限值上取得平衡,因此輸入端子間的電壓差為 Vout/A,幾乎為0。由於實際上並未連接卻看起來像短路,故稱為虛短路;若非反相輸入接地,則反相輸入也可視為0 V(虛接地)。這是運算放大器電路分析的基礎,但在輸出飽和時或正回授電路(比較器)中並不成立。

輸入上升時與下降時的臨界值不同,可防止雜訊造成輸出抖動的電路是哪一個?

  1. APLL
  2. B取樣保持電路
  3. C史密特觸發器
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正確答案:C. 史密特觸發器

史密特觸發器是將輸入上升時的臨界值設高、下降時設低,使其具有差值(遲滯)的電路。即使接收緩慢變化的訊號或含雜訊的訊號,也能防止輸出在臨界值附近反覆切換(彈跳)。它是對比較器施加正回授製成的,也有74HC14這類邏輯IC。也用於開關輸入的整形與RC振盪器(張弛振盪)。

  1. 下列哪一項是運算放大器相位補償中所用「主極點補償」的正確想法?
  2. 下列哪一項是運算放大器迴轉率的正確意義?
  3. 判斷負回授放大電路能否不振盪而穩定動作的指標是哪一個?

前往類比與電子電路的練習題

相關名詞的解說

運算放大器
具有差動輸入與高增益的放大器。施加負回授後,用於放大電路與濾波器等。
比較器
比較兩個輸入電壓的大小,並以 H 或 L 的二值輸出結果的電路。也是 AD 轉換器的基本構成要素。
負回授
將輸出的一部分以相反極性回送到輸入。增益會下降,但增益更穩定,失真與頻寬獲得改善。
施密特觸發器
輸入上升時與下降時的臨界值不同(具有遲滯)的電路。即使是緩慢變化或夾雜雜訊的訊號,輸出也不會抖動。
相位邊限
在負回授迴路的增益為 1(0 dB)的頻率上,相位延遲到達 180° 之前的餘裕。太小則響應容易振盪,在 0 以下則會振盪。一般以 45〜60° 以上為目標。

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