解決比較器的主要挑戰(zhàn):負輸入和相位反轉(zhuǎn)

當比較器中的負輸入電壓較大、超出輸入共模電壓范圍時，會出現(xiàn)不正確的輸出行為。如果無法避免負輸入電壓，請務(wù)必保護比較器的輸入引腳并防止發(fā)生相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這一點非常重要。

在本文中，我將探討比較器中出現(xiàn)負輸入電壓的原因和影響、相位反轉(zhuǎn)行為以及如何保護輸入免受負電壓的影響。

負輸入的原因和影響

負電壓可能由許多意想不到和不可避免的原因引起，包括直流/直流轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)噪聲、在輸入端產(chǎn)生雙極電壓的交流耦合輸入以及來自雙極輸出電感源的振鈴。在汽車和工業(yè)應用等系統(tǒng)中，接地偏移或接地漂移（其中有兩個位于不同電位的不同參考點）也可能會產(chǎn)生較大的負輸入；當存在分離的接地平面將模擬電路與大電流開關(guān)節(jié)點隔離時，就會發(fā)生這種情況。

制造商在制造比較器時沒有專門的靜電放電結(jié)構(gòu)，而是采用結(jié)隔離式裸片工藝來免受較大負輸入電壓的影響，其中P-N結(jié)在連接到公共裸片基板的每個節(jié)點下起著二極管的作用。請務(wù)必保持與公共裸片基板的連接位于GND引腳的最低負電位處，這一點非常重要。如果輸入引腳比GND引腳（以及基板）的負電壓更低，那么過大的反向電流會導致寄生元件的出現(xiàn)，并開啟內(nèi)部寄生NPN晶體管，這些晶體管從其他內(nèi)部節(jié)點和通道獲取電流，這會導致相位反轉(zhuǎn)。

相位反轉(zhuǎn)

在相位反轉(zhuǎn)條件下，輸出的極性會錯誤地反轉(zhuǎn)。圖1顯示了一個采用同相配置的比較器，其中IN處的基準電壓與GND處的0V相連。當輸入電壓低于0V時，輸出電壓就會按預期變?yōu)榈碗娖?。然而，當輸入電壓達到約–570mV時，輸出電壓會反轉(zhuǎn)并變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖1 比較器中的相位反轉(zhuǎn)

圖2顯示了當輸入低于0V時的比較器輸入電流和電源電流。隨著輸入電壓負向增加，反向電流也顯著增加。由于額外的P-N結(jié)現(xiàn)已打開并導通，因此電源電流也會增加。

圖2 負輸入引起的輸入電流和電源電流

如何保護輸入免受負電壓的影響

為了保護比較器的輸入并防止相位反轉(zhuǎn)，您必須首先分析器件的最小輸入電壓和最大輸入電流。圖3顯示了LM2903B的絕對最大額定值表，其中規(guī)定最小輸入電壓為–0.3V，最大輸入電流為50mA。這些規(guī)格導致無法定義負輸入電壓超過0.3V的操作，因為這不符合輸入電壓規(guī)格，不能確保正常運行。比較器可承受的最大電流為50mA：任何大于該值的電流都可能損壞器件。雖然將電流限制在50mA以下不會損壞器件，但仍可能發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，這意味著您必須將電流限制為一個遠低于50mA的值，才能使比較器正常運行。

表3 LM2903B的絕對最大額定值表

不建議在絕對最大限值之外運行這些器件。如果無法避免這樣做，請使用一個串聯(lián)限流電阻和一個外部肖特基二極管，將其放置在輸入引腳和GND之間，這有助于將電壓和電流限制在安全水平，使體二極管不會開始導通，如圖4所示。

圖4 比較器電路輸入端帶有肖特基二極管的限流電阻

一般經(jīng)驗法則是選擇一個與最大負電壓之比為每伏1kΩ的電阻，以便將電流限制在 1mA或以下。例如，如果最大負輸入電壓為–2V，則電阻必須至少為2kΩ。遵循此規(guī)則將確保輸入電流完全在絕對最大值規(guī)格范圍內(nèi)，防止損壞比較器。

肖特基二極管的正向電壓比體二極管低；體二極管導通電壓約為0.4V，而肖特基二極管約為0.2V。這個外部二極管（連同將電流保持在1mA或更低的特性）將有助于確保負輸入電壓信號鉗位在0.3V以下，從而避免相位反轉(zhuǎn)。

另一種方法是使用能夠更好地防止相位反轉(zhuǎn)的比較器，例如TLV1701高電壓微功耗比較器。圖5顯示了其絕對最大額定值。最小輸入電壓比VS–低0.5V，最大輸入電流為10mA。

表5 TLV1701的絕對最大額定值表

圖6顯示了采用同相配置的TLV1701，其反相輸入與GND處的0V相連。當輸入電壓低于0V時，即使輸入電壓超出–0.5V限制，輸出電壓也不會反相。當輸入負向增加時，輸入電流將開始呈指數(shù)增長，并超過10mA的最大限制，這可能會損壞比較器。因此，在輸入端串聯(lián)一個10kΩ電阻有助于將電流降低到安全水平。

圖6 TLV1701具有負輸入的輸出電壓

結(jié)語

使用比較器進行設(shè)計時，務(wù)必要考慮負輸入的影響以及它們?nèi)绾螌е螺敵霭l(fā)生相位反轉(zhuǎn)。在汽車和工業(yè)應用等許多系統(tǒng)中，不可避免地會出現(xiàn)上述較大的負電壓。運行超出推薦限值時沒有安全保障，因此采取措施防止比較器損壞和相位反轉(zhuǎn)至關(guān)重要。使用本文提到的方法有助于提高電路性能，并盡量減少可能導致系統(tǒng)下游器件出現(xiàn)問題的不必要輸出行為。