類比電壓比較器的要素和使用方式：振盪器位準偵測

作者：Art Pini

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2020-10-15

設計人員需要一個更簡單的方式測量數值，以便在邊緣收集更多資料，用於物聯網 (IoT)、工業物聯網 (IIoT)、人工智慧 (AI)、機器學習 (ML) 應用；此值可能是高於或低於某閾值的電壓、電流、溫度、壓力。同樣的，也常需要知道量測值是位於範圍內或外。有雜訊和干擾訊號時，常不易在邊緣進行判定，適當選擇和使用電壓比較器，將可改善此情形。

電壓比較器是一種電子元件，能比較輸入電壓與已知參考電壓，並且依據輸入是否高於或低於參考電壓而為其輸出態充電。此能力可滿足在振幅範圍內外偵測閾值越限、空值、訊號振幅的需求。

本文將說明各種電壓比較器及其特性，以及關鍵選擇標準。使用 Texas Instruments 的範例元件，探討採用電壓比較器作為閾值和零交越偵測器，搭配時脈恢復和弛緩振盪器應用。

電壓比較器是什麼？

電壓比較器是一種電子元件，其輸出為邏輯態，指明其兩個輸入電壓的大小比較 (圖 1)。

圖 1：採用 TINA-TI 模擬的比較器基本操作，施加一個正弦波至比較器的非反相輸入，同時反相輸入參考至零電壓 (接地)。(圖片來源：DigiKey)

此比較器是 Texas Instruments 的 TLV3201AQDCKRQ1 單比較器，具有推挽式輸出。如同其他比較器，此比較器具有兩個輸入。其中，反相輸入標示為負號 (-)，非反相輸入標示為正號 (+)。比較器的輸入非常像運算放大器的輸入。主要差別在於比較器的輸出是邏輯態而非類比電壓。圖 1 中，輸入為 1 MHz 正弦波，具有 200 mV 峰值振幅。在此例中，非反相輸入的電壓超過反相輸入時，輸出將會是高態、2.5 V。非反相輸入低於反相輸入時，輸出將會是低態、-2.5 V。此比較器具有軌對軌輸出，因此其輸出邏輯態會延伸至電源供應級。在此例中，使用對稱的正和負 2.5 V 電源，並且反映在輸出電壓擺盪。

您可以將比較器想為單位元類比數位轉換器 (ADC)。若配置在零交越時變更狀態，其輸出實質上就是一個符號位元。

此比較器具有 40 ns 響應時間，即傳播速度或延遲。這是指輸入的閾值越限到輸出變化狀態的時間。傳播速度會影響比較器切換狀態的速度，進而影響與頻寬相關的規格。TLV3201 亦具有內建 1.2 mV 電壓遲滯，以因應訊號輸入端的雜訊。

遲滯和雜訊

若比較器的輸入端有雜訊或雜散訊號，閾值可能會越限多次，輸出可能會隨著閾值越限和切換多次 (圖 2)。

圖 2：在訊號輸入端的雜訊可能會導致比較器輸出切換多次，這是由於雜訊會重複驅動輸入高於或低於閾值。(圖片來源：DigiKey)

針對此非預期輸出擺盪，解決方法是添加振幅遲滯至比較器電路。遲滯會導致比較器輸出端在閾值越限後保持其狀態，直到輸入振幅改變固定的量。這能藉由從比較器輸出端施加正回授至輸入，對閾值改變極小的增量，進而達成 (圖 3)。

圖 3：遲滯施加正回授至參考輸入，使閾值有一固定的增量變動。如此，輸入訊號上的少量振幅改變不會對輸出造成變動。(圖片來源：DigiKey)

R3 電阻回授輸出至參考輸入，少量變更參考位準，其值由 R1、R2、R3 電阻的值所決定。針對特定電阻值，達到 400 mV 遲滯而變更閾值，使得輸出態不會改變，直到輸入超越遲滯振幅。這會導致輸出在閾值越限進行單轉換。

以下比較此電路與圖 1 的電路。首先，反相和非反相輸入互換，輸出邏輯為反相。訊號低於閾值時，輸出為邏輯高態。此電路特性，可用於感測其值在範圍內或外的電路。TLV3201 以單一 5 V 電源供應器操作，非圖 1 所用的雙 2.5 V 電源。因此，參考電壓由分壓器 R1 和 R2 進行分壓至 2.5 V，是輸入端的共模電壓。輸入訊號同時也針對此共模電壓進行偏壓。三角波在 2.5 V 偏壓位準上，具有 2 V 峰值振幅。此電路配置為常見的替代方案。

感測窗口內外的值

單一電壓比較器可以感測輸入電壓是高於或低於參考閾值。判定輸入電壓是否在兩個限值 (稱為分窗) 之間，需要兩個比較器，各提供一個限值 (圖 4)。

圖 4：比較器窗型電路配置使用雙電壓比較器，判定輸入是否在兩個電壓位準 V_L 和 V_H 之間。(圖片來源：Texas Instruments)

使用 Texas Instruments 的 TLV6710DDCR 雙電壓比較器的窗型電路。TLV6710 包含兩個高準確度比較器，用於高電壓應用。電源電壓可介於 1.8 和 36 V。包含 400 mV 內部 DC 參考源。此比較器輸出為開汲極連接，可以透過共用上拉電阻連接 (如圖所示)，達到邏輯「OR」。比較器相連，使得參考電壓施加於其中一個比較器的反相輸入 (比較器 A)，以及另一個比較器的非反相輸入 (比較器 B)。透過分壓器施加輸入，此分壓器包含電阻 R1、R2、R3，用於設定閾值電壓的 3.3 V 低限和 4.1 V 高限。輸入 V_MON 在窗口內時，比較器輸出為高態 (3.3 V)。比較器 A 指明輸入電壓低於 4.1 V，比較器 B 則顯示輸入超過 3.3 V。請注意，TLV6710 的兩個比較器都具有 5.5 V 標稱內部電壓遲滯，協助拒斥雜訊和小尖波。

此比較器的傳播延遲典型值在高至低傳輸時為 9.9 µs，低至高傳輸時為 28.1 µs。此差別源自於開汲極輸出配置。高至低傳輸為輸出 FET 主動下拉，低至高傳輸則透過電阻進行被動上拉，因此需要較長時間。此比較器用於電壓監測應用，因此無須極短傳播延遲。

分窗應用

分窗可用於機器人，以使用燈光和兩個 CDS 光電池控制機器人的行進方向。舉例而言，硫化鎘 (CDS) 光電池會回應亮光變更電阻值。未照光時電阻值較高，照光時則會低許多。TINA-TI 模擬使用 Texas Instruments 的 LM393BIPWR 說明此原理 (圖 5)。

圖 5：使用兩個控制馬達 (標示為左和右)，對機器人進行轉向控制的電路模擬。施加 5 V 時，馬達會向前行進，施加 0 V 時，則會倒退。(圖片來源：DigiKey)

LM393B 比較器是雙比較器，具有開集極輸出，可以在 3 至 36 V 電源電壓下運作。此電路的各部分針對兩個馬達，分別提供馬達控制訊號，指定為左側或右側驅動。

含有一個電位器，用於模擬兩個 CDS 光電池。電位器設定介於 0% 至 40%，代表右側的光電池受光，左側則未受光。設定為 60% 至 100%，則代表光主要由左側光電池接受，右側則未受光。設定為 40% 至 60%，則代表兩個光電池都受光。任一馬達的馬達控制訊號為 +5 V 時，馬達以正向運轉。若馬達控制訊號為 0 V 時，馬達以逆向運轉。

兩個光電池以等量受光時，兩個馬達會以正向運轉，使機器人直向前進。電位器在 0% 和 40% 之間時，左馬達會以正向運轉，右馬達會以逆向運轉，使機器人向右前進。60% 至 100% 時，右馬達會以正向運轉，左馬達會以逆向運轉，使機器人向左前進。

比較器參考位準來自分壓器，右控制器設定為 2 V (電位器為 40%)，左控制器設定為 3 V (電位器為 60%)。

弛緩振盪器

比較器使用正和負回授，便可配置為弛緩振盪器 (圖 6)。

圖 6：添加一個電容至其中一個輸入，並施加回授，便可建立弛緩振盪器。(圖片來源：DigiKey)

弛緩振盪器 (也稱為無穩態多諧振盪器)，具有方波輸出，可使用圖 6 所示的電路建立。振盪頻率由 R1 和 C1 的電阻電容時間常數所決定。C1 初始未充電 (0 V)，反相輸入電壓會低於非反相輸入的參考電壓。輸出會強制至 5 V。C1 電容會透過 R1 充電至參考電壓，此時輸出會降至 0 V。C1 會透過 R1 放電，至到降至低於參考電壓，然後重複此循環。參考電壓有加上遲滯 (正) 回授。輸入為 0 V 時，參考電壓為 2.5 V。輸出為 5 V 時，參考電壓增加約 1.7 V，達到高達 4.2 V。圖中所示的暫態響應，顯示輸出 (Vo) 和電容 (Vc) 電壓波形。

最大振盪頻率由比較器的傳播延遲限制。在此例中，Texas Instruments 的 TLV3201 具有 40 ns 傳播延遲，用於建立 10 MHz 振盪器。此頻率很接近此比較器的最大值。

時脈恢復和復原

透過背板和纜線傳輸的時脈訊號，會因為頻寬限制、符際干擾 (ISI)、雜訊、反射、串音導致降額。比較器可以用於恢復時脈訊號，並復原至更清晰的波形 (圖 7)。

圖 7：具有 7 ns 傳播延遲的比較器，具有內部遲滯，用於復原 20 MHz 時脈。(圖片來源：DigiKey)

在此類型的應用中，傳播延遲更為重要。比較器可追蹤的最大頻率為傳播延遲和輸出傳輸時間的方程式：

方程式 1

在此：f_MAX 是最大觸發頻率

t_Rise 是輸出上升時間

t_Fall 是輸出下降時間

t_{PD LH} 是低至高的傳播延遲

t_{PD HL} 是高至低的傳播延遲

Texas Instruments 的 LMV7219M5X-NOPB 以 5 V 電源操作，具有 1.3 ns 上升時間、1.25 ns 下降時間，以及 7 ns 的典型傳播延遲 (雙向)。這能讓最大觸發頻率達到 60.4 MHz。即使使用 2.7 V 電壓電源和更長的傳播延遲和傳輸時間，此比較器的最大觸發頻率為約 35 MHz，超過 20 MHz 時脈所需。

LMV7219 除了有優異的低傳播延遲，還結合軌對軌推挽式輸出級，代表具有短且一致的上升和下降時間。此外，還有 7.5 mV 內部遲滯，可最大幅降低雜訊影響。