|解决比较器的主要挑战超出输入共同模式范围

输入共模电压范围(通常缩写为VCM或VICR)一词在模拟领域被广泛认识,但在比较器领域很难理解。对于放大器,VCM被定义为应用于两个输入端的平均电压。但是在比较器中,其含义完全不同。

比较器的正常运行意味着两个输入交叉,输出发生变化。让我们分析图1中所示的相同比较器配置。其瞬态动作如图2所示。

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图1:配置相同的比较器

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图2:同一比较器的瞬态行为

在图2中,如果同一端(橄榄绿)电压大于相反端(红色)电压,则输出(绿色)为高电平。如果反相结束电压大于相同结束电压,输出将以低电平输出。比较器的输入VCM是两个输入电压相交的开关点。工作正常的开关点电压范围称为比较器的输入VCM。

表1显示了LM393的VCM,其负电压V-正电压V 1.5V或2V以下,具体取决于设备温度。

表1: LM393数据表中的“表6.7电气特性”

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如果在室温下使用3.3V电源为设备供电,则该设备的输入VCM位于接地和1.8V之间。如果开关点移动到1.8V以上,设备可能无法正常工作。如果一个或两个输入端子电压超出VCM范围,则可能无法正常工作。

什么限制VCM输入?

比较器的输入级别限制了输入VCM。首先,让我们看一下TL331数据表的功能框图(图3)。输入级别包括发送极连接到电流源的P通道、N通道、P通道(PNP)差分对。为了通过差分对的PNP晶体管,需要从发射台到底座的电压降(VEB)(对于N通道、P通道、N通道配置,需要从底座到发射极的压力降[VBE])。

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图3: tl331功能方块图

电流源通常是电流镜,如图4所示。为了使电流源起作用,Q2的发射台电极电压必须超过最小正向有效电压要求(VEC (Sat))。

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图4: PNP电流镜

随着比较器输入电压的增加,能够满足差分晶体管的VEB传导和电流镜晶体管的VEC (Sat)余量越来越小。如果出现这种情况,VEC开始减少,但VEB仍然稳定。当VEC (Sat)不超过Q2时,电流镜的电流生成能力将大大降低,导致某些比较器的VCM上升到低于电源电压的值。具有NPN晶体管输入级别的其他设备为正电源电压指定值的VCM范围。

为什么即使在数据表中输入VCM,设计也有效?

数据表中的VCM值考虑了工艺、电压和温度(PVT)之间的性能。查看图4中的TL331示例,您会发现VBE和VCE随温度而波动。

图5、6和7显示了LM393在类似于图1的配置中的性能。在这种情况下,电源电压设置为5V。100Hz、1 Vpp、3.9 VDC灯波形(黄色)连接到同一端,3.9 VDC基准信号(紫色)应用到另一端。以下是3.9V开关点超出VCM范围的应用程序示例。对于此电源,兼容的VCM不超过3V。

室温下,比较器在超过3.9V时工作和切换,如图5所示。比较器在温度上升时也起作用,如图6所示。如图7中的输出(绿色)所示,冷却装置冷却后开始出现故障。

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图5: VCM范围外的5:LM393室温性能

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图6: VCM范围之外的6:LM393的高温性能

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图7: VCM范围之外的7:LM393的低温性能

如果降低输入电压,使开关点位于装置的VCM范围内,则设备将在所有温度范围内正常工作。灯波形现在位于2V的低直流不平衡电压(基于2V)上,以确保开关点在VCM范围内。图8、9和10显示了LM393在整个温度范围内的工作方式。

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图8:lm 393在VCM范围内的室温性能

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图9:lm 393在VCM范围内的高温性能

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图10:lm 393在VCM范围内的低温性能

所有这些示波器捕获都可以通过单个设备获得。测试其他LM393示例时,指定VCM范围以外的性能可能会有所不同。室温下VCM上限可能与测试的设备不同。这称为过程偏差,性能可能会因批次差异或不一致的制造过程而异。

偏差的最后一部分是电压偏差。设备可以根据电源电压的不同而工作。在图6、7和8设置中,如果电源电压增加到允许的最大36V,并且超出相同的VCM范围,则性能可能会有所不同。使用比较器设计系统时,输入必须在VCM范围内,以避免出现这种问题。

结语

如果在其中一个输入超出范围时输入VCM,则设备可能无法正常工作。如果超出此范围,比较器输入级别的偏移可能会出现问题。请记住,如果一个或两个输入端电压在数据表规范之外,则超出VCM范围。即使系统不在VCM范围内,在更换其他电源电压、工作温度或集成电路时,系统也可能无法正常工作。创建使用比较器的系统时,每个输入信号必须在输入VCM的数据表规范范围内,这样才能保持PVT功能。

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