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解決比較器的主要挑戰(zhàn):負(fù)輸入和相位反轉(zhuǎn)

2022/04/28
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當(dāng)比較器中的負(fù)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(fù)輸入電壓,請務(wù)必保護(hù)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(diǎn)非常重要。

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

負(fù)輸入的原因和影響
負(fù)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(yīng)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(diǎn))也可能會產(chǎn)生較大的負(fù)輸入;當(dāng)存在分離的接地平面將模擬電路與大電流開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(fù)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(diǎn)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(fù)電位處,這一點(diǎn)非常重要。如果輸入引腳比GND引腳(以及基板)的負(fù)電壓更低,那么過大的反向電流會導(dǎo)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(diǎn)和通道獲取電流,這會導(dǎo)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(zhǔn)電壓與GND處的0V相連。當(dāng)輸入電壓低于0V時,輸出電壓就會按預(yù)期變?yōu)榈?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1465710.html">電平。然而,當(dāng)輸入電壓達(dá)到約–570mV時,輸出電壓會反轉(zhuǎn)并變?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%AB%98%E7%94%B5%E5%B9%B3/">高電平。

圖1:比較器中的相位反轉(zhuǎn)

圖2顯示了當(dāng)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(fù)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(dǎo)通,因此電源電流也會增加。

圖2:負(fù)輸入引起的輸入電流和電源電流

如何保護(hù)輸入免受負(fù)電壓的影響
為了保護(hù)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(dǎo)致無法定義負(fù)輸入電壓超過0.3V的操作,因?yàn)檫@不符合輸入電壓規(guī)格,不能確保正常運(yùn)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(yuǎn)低于

圖3:LM2903B的絕對最大額定值表

不建議在絕對最大限值之外運(yùn)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(dǎo)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(yàn)法則是選擇一個與最大負(fù)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(fù)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(dǎo)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(fù)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。
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圖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(dāng)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(dāng)輸入負(fù)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(fù)輸入的輸出電壓

結(jié)語
使用比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)時,務(wù)必要考慮負(fù)輸入的影響以及它們?nèi)绾螌?dǎo)致輸出發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。在汽車和工業(yè)應(yīng)用等許多系統(tǒng)中,不可避免地會出現(xiàn)上述較大的負(fù)電壓。運(yùn)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(dǎo)致系統(tǒng)下游器件出現(xiàn)問題的不必要輸出行為。

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