解決比較器的主要挑戰：違反輸入共模範圍

Nancy Peng

Apr 25, 2022

Other Parts Discussed in Post: LM393, TL331

作者：德州儀器 Gerome Cacho

輸入共模電壓範圍（通常縮寫為 V_CM 或 VICR）是一個在類比世界中被廣泛認可但在比較器世界中被誤解的術語。對於放大器，V_CM 定義為施加到兩個輸入端的平均電壓。但是對於一個比較器來說，它的含義就完全不同了。

比較器的正常操作意味著兩個輸入交叉，導致輸出發生變化。讓我們分析圖 1 所示的同相比較器配置，其瞬態行為如圖 2 所示。

圖 1：同相比較器配置

圖 2：同相比較器瞬態行為

在圖 2 中，如果同相端的電壓（橄欖綠）大於反相端的電壓（紅色），則輸出（綠色）為高電平。如果反相端電壓大於同相端電壓，則輸出為低電平。比較器的輸入 V_CM 是兩個輸入電壓相互交叉的開關點。仍可確保正常工作的該開關點的電壓範圍稱為比較器的輸入 V_CM。

表 1 顯示 LM393 的 V_CM，其範圍從負電源 V– 到低於正電源 V+ 1.5 V 或 2 V，具體取決於元件的溫度。

範圍

測試條件

最小

類型

最大

單元

V_CMCommon mode range

V_S = 3 to 36 V

(V-)

(V+) – 1.5

V_S = 3 to 36 V,

TA = -40°C to +85°C

(V-)

(V+) – 2

表 1：LM393 產品規格表中表 6.7 電氣特性

如果我在室溫下使用 3.3 V 電源為該設備供電，則該設備的輸入 V_CM 介於接地和 1.8 V 之間。如果開關點高於 1.8 V，則該設備可能無法運行。如果一個或兩個輸入違反 V_CM，則可能會發生不正確的操作。

什麼限制了輸入 V_CM？

比較器的輸入級限制輸入 V_CM。讓我們首先看一下 TL331 產品規格表中的功能原理圖（圖 3）。輸入級包括一個用於 P 通道、N 通道、P 通道 (PNP) 的差分對，其發射極連接到電流源。為了使差分對上的 PNP 電晶體導通，從發射極到基極 (V_EB) 需要有一個電壓降（對於 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置，這將是基極到發射極 [V_BE ]）。

圖 3：TL331 功能原理圖

電流源通常是一個電流鏡，如圖 5 所示。要使電流源工作，Q2 的發射極到集電極電壓需要超過最小正向有效電壓要求 (V_{EC (Sat)})。

圖 4：PNP 電流鏡

隨著比較器輸入電壓的增加，滿足差分對電晶體的 V_EB 導通和電流鏡電晶體的 V_{EC (Sat)} 的餘量越來越小。當這種情況發生時，V_EC 開始收縮，而 V_EB 仍然保持堅挺。當 V_{EC (Sat)} 不超過 Q2 時，電流鏡的電流產生能力顯著降低，這就是為什麼一些比較器的 V_CM 上升到低於電源電壓的值。其他具有 NPN 電晶體輸入級的元件指定了一個 V_CM，其範圍從一個值到正電源。

為什麼即使超過產品規格表上的輸入 V_CM，設計也能工作

產品規格表中的 V_CM 值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能。回顧圖 4 中的 TL331 示範，V_BE 和 V_CE 隨溫度波動。

圖 5、6 和 7 顯示了 LM393 在與圖 1 類似的同相配置中的性能。在這種情況下，電源電壓設置為 5V。100Hz、1Vpp、3.9VDC 斜坡波形（黃色 ) 連接到同相端子，同時將 3.9-VDC 參考訊號（紫色）施加到反相端子。這是一個應用示範，其中 3.9 V 的開關點違反了 VCM；使用此電源，兼容的 VCM 為 3 V 或更低。

在室溫下，比較器在超過 3.9 V 時工作並切換，如圖 5 所示。比較器在加熱時也工作，如圖 6 所示。當我冷卻設備時，它開始出現故障，因為輸出（綠色）在圖 7 中表示。