解決比較器的主要挑戰(zhàn)：負(fù)輸入和反相
當(dāng)比較器中的大負(fù)輸入電壓超出輸入共模電壓范圍時，可能會出現(xiàn)不正確的輸出行為。在無法避免負(fù)輸入電壓的情況下，保護(hù)比較器的輸入引腳并防止發(fā)生稱為反相（也稱為反相）的現(xiàn)象非常重要。
在本文中，我將探討比較器中負(fù)輸入電壓的原因和影響、反相行為以及如何保護(hù)輸入免受負(fù)電壓影響。
負(fù)輸入的原因和影響
負(fù)電壓可能來自許多意想不到和不可避免的來源，包括 DC/DC 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的電感源的振鈴。在汽車和工業(yè)應(yīng)用等系統(tǒng)中，大的負(fù)輸入也可能來自接地偏移或接地偏移，其中有兩個不同的參考點(diǎn)位于不同的電位；當(dāng)存在分離的接地層以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。
制造商制造的比較器沒有專用的靜電放電結(jié)構(gòu)，以使用結(jié)隔離芯片工藝來防止大的負(fù)輸入電壓，其中 PN 結(jié)在連接到公共芯片基板的每個節(jié)點(diǎn)下就像二極管一樣。保持與公共芯片基板的連接處于與 GND 引腳相連的最負(fù)電位是很重要的。如果輸入引腳比 GND 引腳更負(fù) - 因此基板 - 過多的反向電流將導(dǎo)致寄生元件出現(xiàn)并打開內(nèi)部寄生 N 溝道 P 溝道 N 溝道晶體管，從其他內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和通道獲取電流. 這可能導(dǎo)致相位反轉(zhuǎn)。
相位反轉(zhuǎn)
在反相條件下，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– 處的參考電壓與 GND 處的 0 V 相連。當(dāng)輸入電壓低于 0 V 時，輸出電壓會按預(yù)期變低。然而，當(dāng)輸入達(dá)到約 –570 mV 時，輸出電壓會反轉(zhuǎn)并變高。
圖 1：比較器中的相位反轉(zhuǎn)
圖 2 顯示了輸入掃描低于 0 V 時比較器的輸入和電源電流。隨著輸入電壓的負(fù)向增加，反向電流顯著增加。由于額外的 PN 結(jié)現(xiàn)在打開并導(dǎo)通，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)電壓影響
為了保護(hù)比較器的輸入并防止反相，您必須首先分析設(shè)備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 –0.3 V，最大輸入電流為 50 mA。這些規(guī)范無法定義負(fù)輸入電壓超過 0.3 V 的操作，因?yàn)樗`反了輸入電壓規(guī)范并且不能保證正常操作。比較器可以承受的最大電流為 50 mA：任何大于該值的電流都可能損壞器件。雖然將電流限制在 50 mA 以下不會損壞器件，但仍可能發(fā)生反相，這意味著您必須將電流限制在遠(yuǎn)低于 50 mA 的值才能使比較器正常工作。
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敏 |
最大限度 |
單元 |
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VCC _ |
非 B 版本 |
-0.3 |
36 |
五 |
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僅限 B 版本 |
-36 |
38 |
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身份證_ |
非 B 版本 |
-38 |
36 |
五 |
|
僅限 B 版本 |
-0.3 |
38 |
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Ⅵ _ |
非 B 版本 |
36 |
五 |
|
|
僅限 B 版本 |
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38 |
||
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我愛 |
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-50 |
mA |
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VO _ |
非 B 版本 |
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36 |
五 |
|
僅限 B 版本 |
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38 |
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我_ |
非 B 版本 |
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20 |
mA |
|
僅限 B 版本 |
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25 |
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I SC輸出對地短路的持續(xù)時間 |
無限 |
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T J工作虛擬結(jié)溫 |
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150 |
°C |
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T stg儲存溫度 |
-65 |
150 |
°C |
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圖 3：LM2903B 的絕對最大額定值表
我不建議在它們的絕對最大限制之外操作這些設(shè)備。在無法避免這樣做的情況下，使用串聯(lián)限流電阻和外部肖特基二極管，放置在輸入引腳至 GND，有助于將電壓和電流限制在安全水平，從而使體二極管不會啟動進(jìn)行，如圖 4 所示。
圖 4：在比較器電路的輸入端帶有肖特基二極管的限流電阻器
一般的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇一個最大負(fù)電壓每電壓為 1 kΩ 的電阻器，以便將電流限制在 1 mA 或以下。例如，如果最大負(fù)輸入電壓為 –2 V，則電阻器必須至少為 2 kΩ 或更大。遵循此規(guī)則將確保輸入電流完全在絕對最大規(guī)格范圍內(nèi)，并防止損壞比較器。
肖特基二極管的正向電壓低于體二極管，在體二極管開始導(dǎo)通約 0.4 V 之前將開始導(dǎo)通約 0.2 V。這個外部二極管連同將電流保持在 1 mA 或更低，將有助于確保負(fù)輸入電壓信號鉗位在 0.3 V 以下，從而避免相位反轉(zhuǎn)。
另一種選擇是使用具有更好的反相保護(hù)功能的比較器，例如TLV1701高壓微功率比較器。圖 5 顯示了其絕對最大額定值。最小輸入電壓比 V S低 0.5 V ，最大輸入電流為 10 mA。
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最小 |
最大限度 |
單元 |
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電源電壓 |
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+40 (±20) |
五 |
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信號輸入引腳 |
電壓 |
(VS-) - 0.5 |
(VS+) + 0.5 |
五 |
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當(dāng)前的 |
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±10 |
mA |
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輸出短路 |
連續(xù) |
mA |
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工作溫度范圍 |
-55 |
+150 |
°C |
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結(jié)溫，T J |
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150 |
°C |
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儲存溫度，T stg |
-65 |
+150 |
°C |
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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，其反相輸入在 GND 處連接到 0 V。當(dāng)輸入電壓低于 0V 時，輸出電壓不會反相，即使輸入電壓超出 –0.5V 限制也是如此。隨著輸入更負(fù)向掃描，輸入電流將開始呈指數(shù)增加并超過 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 的輸出電壓與負(fù)輸入
結(jié)論
使用比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)時，重要的是要考慮負(fù)輸入的影響以及它們?nèi)绾螌?dǎo)致輸出中的相位反轉(zhuǎn)。在汽車和工業(yè)應(yīng)用等許多系統(tǒng)中，這些大的負(fù)電壓是不可避免的。不保證超出推薦限值的操作，因此采取措施防止損壞比較器和防止發(fā)生反相至關(guān)重要。使用本文中提到的方法有助于提高電路性能并最大限度地減少可能導(dǎo)致系統(tǒng)中下游設(shè)備出現(xiàn)問題的不需要的輸出行為。
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