克服比較器的最大挑戰：負輸入與相位逆轉

德州儀器作者：Chi Nguyen1 

比較器的負輸入電壓過高、超出輸入共模電壓範圍時，可能發生輸出錯誤。在無法避免負輸入電壓的情境中，保護比較器輸入針腳並避免相位逆轉現象（亦稱為相轉變）發生則至關重要。

筆者將於本文中探討與比較器負輸入電壓的成因與影響、相位逆轉現象，與如何保護輸入電流不受負電壓影響。

負輸入成因與影響

負電壓可能源自許多預料之外或無可避免的來源，包括直流／直流轉換器的切換雜訊、輸入端產生雙極性電壓的交流耦合輸入，以及雙極性輸出感應電流源導致振鈴等。自動化與工業化應用的系統中，大量負輸入可能由兩個電位不同的參考點、接地抵補或接地偏移導致，而這通常發生於以分割接地平面隔離類比電路與高電流切換節點之時。

製造商生產沒有專屬靜電放電結構的比較器，利用接面絕緣晶粒製程（PN接面在每個與共同基板相連的節點下作為二極體）避免過高負輸入電壓。確保共同基板接地針腳為負電位最大值非常重要，若輸入針腳負值較接地針腳更大（等於比基板更大）過多反向電流便會導致寄生元件出現，並開啟從其他內部節點與通道擷取電流的內部寄生NPN電晶體。這可能導致相位逆轉。

相位逆轉

相位逆轉時，輸出極性會錯誤地轉換。圖1顯示比較器相位未逆轉時的配置，輸入端接地時參考電壓為0 V。輸入電壓低於 0 V時，輸出電壓如預期逐漸降低。但是，當輸入電壓低至 –570 mV，輸出電壓卻逆轉，開始升高。

圖1：比較器相位逆轉

圖2顯示比較器輸入電流降至低於 0 V時的輸入與電源電流。隨著輸入電壓負值增加，反向電流增加幅度越大。電源電流亦增加，因為新增的PN接面已經開啟，正在導電。

圖2：負輸入造成的輸入電流與電源電流

如何保護輸入電流不受負電壓影響

為了保護比較器的輸入電流、避免相位逆轉，我們必須先分析裝置的最小輸入電壓與最大輸入電流。圖3顯示 LM2903B的絕對最大額定值表，列出最小輸入電壓為–0.3 V，最大輸入電流為50 mA。根據這些規範，負輸入電壓超過0.3 V時，由於已違反輸入電壓規範，無法保證運作順利，因此不可能定義其運作。比較器能負荷的最大電流為50 mA：任何大於此值的電流都可能對裝置造成損害。儘管已限制電流不超過50 mA、避免裝置損害，相位逆轉仍可能發生，因此電流限制必須遠比50 mA更低，才能確保比較器順利運作。

圖3：LM2903B絕對最大額定值表

筆者不建議讓這些裝置在超過其絕對最大限制的情形下運作。若無法避免此般情形，使用串聯限流電阻，再把一個外部蕭特基二極體放至輸入針腳連到接地端，將有助於將電壓與電流限制於安全水準，使本體二極體不至於開始導電，如圖4所示。

圖4：比較器電路輸入端的限流電阻與蕭特基二極體

一般原則是：每單位最大負電壓需1 kΩ電阻，將電流限制於1 mA以下。例如，若最大負輸入電壓為–2 V，則電阻須至少2 kΩ以上。遵循此原則可確保輸入電流遠低於絕對最大值規範，避免對比較器造成損害。

蕭特基二極體順向電壓比本體二極體低，會在0.2 V左右開始導電，比本體二極體（約0.4 V）早。加上此外部二極體、並將電流維持於1 mA以下，可確保將負輸入電壓訊號壓至0.3 V以下，因此得以避免相位逆轉。

另一個選項則是利用更能避免相位逆轉的比較器，例如 TLV1701 高電壓微功率比較器。圖5列出該裝置的絕對最大額定值。最小輸入電壓為0.5 V，低於 V_S，而且最大輸入電流為10 mA。

圖5：TLV1701絕對最大額定值表

圖6顯示TLV1701相位未逆轉時的配置，反相輸入端接地時為0 V。輸入電壓低於0 V時，就算輸入電壓超出–0.5V限制，輸出電壓也不會逆轉。隨著輸入電壓負值增加，輸入電流增幅呈指數成長，並超出10mA最大限制，可能對比較器造成損害。因此在輸入端加上串聯10-kΩ 電阻有助於將電流降至安全水準。

圖6：TLV1701負輸入時的輸出電壓

結論

設計比較器時，將負輸入的影響與可能導致輸出相位逆轉納入考量至關重要。許多系統（如汽車和工業應用）中負電壓負值極大的情形難以避免。由於不宜在建議限制範圍以外運作，勢必須採取適當措施，避免對比較器造成損害，或發生相位逆轉的情形。利用本文所述方法，將有助於改善電路效能，並盡可能降低為系統下游裝置帶來問題的不理想輸出情況。

其他資源

• 欲知更多關於相位逆轉與負輸入電壓的資訊，請參閱應用報告《LM339、LM393、TL331比較器系列產品（包括新的B版）應用設計指南》輸入考量一節。