解决比较器的主要挑战:负输入和相位反转

2022年04月28日 14:56

 

当比较器中的负输入电压较大、超出输入共模电压范围时,会出现不正确的输出行为。如果无法避免负输入电压,请务必保护比较器的输入引脚并防止发生相位反转现象,这一点非常重要。

在本文中,我将探讨比较器中出现负输入电压的原因和影响、相位反转行为以及如何保护输入免受负电压的影响。

负输入的原因和影响

负电压可能由许多意想不到和不可避免的原因引起,包括直流/直流转换器中的开关噪声、在输入端产生双极电压的交流耦合输入以及来自双极输出电感源的振铃。在汽车和工业应用等系统中,接地偏移或接地漂移(其中有两个位于不同电位的不同参考点)也可能会产生较大的负输入;当存在分离的接地平面将模拟电路与大电流开关节点隔离时,就会发生这种情况。

制造商在制造比较器时没有专门的静电放电结构,而是采用结隔离式裸片工艺来免受较大负输入电压的影响,其中P-N结在连接到公共裸片基板的每个节点下起着二极管的作用。请务必保持与公共裸片基板的连接位于GND引脚的最低负电位处,这一点非常重要。如果输入引脚比GND引脚(以及基板)的负电压更低,那么过大的反向电流会导致寄生元件的出现,并开启内部寄生NPN晶体管,这些晶体管从其他内部节点和通道获取电流,这会导致相位反转。

相位反转

在相位反转条件下,输出的极性会错误地反转。图1显示了一个采用同相配置的比较器,其中IN处的基准电压与GND处的0V相连。当输入电压低于0V时,输出电压就会按预期变为低电平。然而,当输入电压达到约–570mV时,输出电压会反转并变为高电平。

说明:

1:比较器中的相位反转

图2显示了当输入低于0V时的比较器输入电流和电源电流。随着输入电压负向增加,反向电流也显著增加。由于额外的P-N结现已打开并导通,因此电源电流也会增加。

 

说明:

2:负输入引起的输入电流和电源电流

如何保护输入免受负电压的影响

为了保护比较器的输入并防止相位反转,您必须首先分析器件的最小输入电压和最大输入电流。图3显示了LM2903B的绝对最大额定值表,其中规定最小输入电压为–0.3V,最大输入电流为50mA。这些规格导致无法定义负输入电压超过0.3V的操作,因为这不符合输入电压规格,不能确保正常运行。比较器可承受的最大电流为50mA:任何大于该值的电流都可能损坏器件。虽然将电流限制在50mA以下不会损坏器件,但仍可能发生相位反转,这意味着您必须将电流限制为一个远低于50mA的值,才能使比较器正常运行。


最小值

最大值

单位

VCC

非B版本

-0.3

36

V

仅限B版本

-36

38

VID

非B版本

-38

36

V

仅限B版本

-0.3

38

VI

非B版本

36

V

仅限B版本


38

IIK


-50

mA

VO

非B版本


36

V

仅限B版本


38

IO

非B版本


20

mA

仅限B版本


25

ISC输出接地短路的持续时间

无限


TJ运行虚拟结温


150

°C

Tstg贮存温度

-65

150

°C

3LM2903B的绝对最大额定值表

不建议在绝对最大限值之外运行这些器件。如果无法避免这样做,请使用一个串联限流电阻和一个外部肖特基二极管,将其放置在输入引脚和GND之间,这有助于将电压和电流限制在安全水平,使体二极管不会开始导通,如图4所示。

 

说明:

4:比较器电路输入端带有肖特基二极管的限流电阻

一般经验法则是选择一个与最大负电压之比为每伏1kΩ的电阻,以便将电流限制在1mA或以下。例如,如果最大负输入电压为–2V,则电阻必须至少为2kΩ。遵循此规则将确保输入电流完全在绝对最大值规格范围内,防止损坏比较器。

肖特基二极管的正向电压比体二极管低;体二极管导通电压约为0.4V,而肖特基二极管约为0.2V。这个外部二极管(连同将电流保持在1mA或更低的特性)将有助于确保负输入电压信号钳位在0.3V以下,从而避免相位反转。

另一种方法是使用能够更好地防止相位反转的比较器,例如TLV1701高电压微功耗比较器。图5显示了其绝对最大额定值。最小输入电压比VS–低0.5V,最大输入电流为10mA。


最小值

最大值

单位

电源电压


+40 (±20)

V

信号输入引脚

电压

(VS-) - 0.5

(VS+) + 0.5

V

电流


±10

mA

输出短路

持续

mA

工作温度范围

-55

+150

°C

结温,TJ


150

°C

贮存温度,Tstg

-65

+150

°C

5TLV1701的绝对最大额定值表

图6显示了采用同相配置的TLV1701,其反相输入与GND处的0V相连。当输入电压低于0V时,即使输入电压超出–0.5V限制,输出电压也不会反相。当输入负向增加时,输入电流将开始呈指数增长,并超过10mA的最大限制,这可能会损坏比较器。因此,在输入端串联一个10kΩ电阻有助于将电流降低到安全水平。

说明:

6TLV1701具有负输入的输出电压

结语

使用比较器进行设计时,务必要考虑负输入的影响以及它们如何导致输出发生相位反转。在汽车和工业应用等许多系统中,不可避免地会出现上述较大的负电压。运行超出推荐限值时没有安全保障,因此采取措施防止比较器损坏和相位反转至关重要。使用本文提到的方法有助于提高电路性能,并尽量减少可能导致系统下游器件出现问题的不必要输出行为。

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