CMOS電壓比較器工作原理及電路的主要特點

電壓比較器在電路結構、電性能等方面與運放基本相同，而其符號表示也與運放完全一致，即有同相和反相二個輸入端，一個輸出端，開環增益用A表示。電壓比較器的功能是比較兩個模擬輸入信號的大小，并在輸出端得到高電平或低電平。若用V+，和V-分別表示同相輸入端和反相輸入端電壓，那么對于理想的電壓比較器，其特性可表示為：當V+大于V-時，它的輸出是高電平；當V-大于V+時，它的輸出為低電平。圖3.9-1a、b分別表示電壓比較器的符號和理想電壓比較器的傳輸特性。

實際上，電壓比較器的輸出端由低電平轉換到高電平時，或從高電平轉換到低電平時，需要一定的時間（決定電壓比較器的瞬態響應），其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調電壓，因此它的輸入端將出現不確定電壓，該不確定電壓將直接影響電壓比較器的靈敏度（對輸入端電壓判別的靈敏度）。電壓比較器的開環增益A越高，失調電壓越小，則其不確定電壓越小，即靈敏度越高。對于高性能電壓比較器來說，應具有高的開環增益A、低的失調電壓和高的壓擺率。顯然，一般的運放也可以作為電壓比較器之用。但在運放電路設計時，著重考慮其輸出與輸入之間的線性傳輸特性以及頻率補償的穩定性，因此，運放的響應時間和延遲時間往往很大，開環增益不是很高。若需要高速或高靈敏度的電壓比較器，采用運放來代替通常是不適宜的，我們可根據要求，對電壓比較器進行設計。在設計電壓比較器時，其直流特性的設計原則基本上與運放電路一致，而頻率特性的設計與運放電路不同。通常電壓比較器在開環條件下工作，因此在電路內部不需要考慮放大器閉環穩定工作的頻率補償。由于MOS型差分放大器的固有缺點是它的輸入失調電壓較大，用它直接構成電壓比較器電路時，比較器的輸入不確定區就很大，比較器的靈敏度降低，因此，在MOS電壓比較器電路設計時更應注意減小其輸入失調電壓。

集成電壓比較器與集成運放一樣，用途十分廣泛，在模數轉換器等模擬集成電路中電壓比較器是不可缺少的主要部件。用CMOS技術，利用第二章介紹過的各種單元電路以及本章上一節的失調電壓自動調零技術可以設計出性能較好的電壓比較器。本節介紹幾種CMOS電壓比較器的設計方法。

1、CMOS電壓比較器工作原理

圖3.9-2所示的電路是CMOS電壓比較器5G14574電路原理圖。

5G14574電壓比較器與常用的兩級運放相比，增加了兩級反相器，并去掉了內部的補償電容。由圖可知，它為四級放大。第一級為差分輸入級，將雙端變單端輸出，兩只n溝MOS管作電流源負載。第二級除提高增益外，在設計方面還要保證靜態時其輸出電壓在電源電壓的中點，以保證后級CMOS倒相器偏置在高增益區。第三、四級為偏置在高增益區的CMOS倒相器。根據電路參數和工藝參數并經實際測試，本電路的開環增益A約為10~20萬倍。

5G14574電壓比較器包含四個相同單元的全MOS電壓比較器，簡稱四比較器，它的偏置電流由外接偏置電阻決定。偏置電流的大小將直接影響電路的上升時間和延遲時間，增大偏置電流可加快上升時間并縮短延遲時間，但電路的功耗增大。

本電路在使用時，通常將差分輸入級一端接基準電壓VR，另一端接被測電壓；根據對輸出極性的要求，接在同相輸入端或反相輸入端。當時或時，輸出狀態翻轉。從原理上講，若無電壓失調，則根據本電路的電壓增益，其靈敏度可達50~100微伏。由于電路本身存在著隨時間漂移、隨溫度漂移的失調電壓，該失調電壓約±10毫伏。因此，要檢測毫伏以下的微弱信號是很困難的。

2、CMOS電路的主要特點

根據電路結構，CMOS電壓比較器5G14574的主要特點是：

（1）能與CMOS邏輯電路兼容，無需電平轉換。

（2）功耗低，偏置電流微安時，四只比較器總的靜態電流只有100微安。

（3）高壓擺率，在VDD=10伏，微安，CL=50皮法時，上升時間tr，與下降時間tr約為100納秒，此時壓擺率為100伏/微秒。

（4）輸入阻抗高，一般均大于10°歐姆。

（5）由于采用CMOS反相器作輸出級，所以能達到滿幅度輸出，高電平VOH=VDD，低電平VOL=VSS。

（6）單、雙電源均可工作。

（7）外接偏置電阻RD，偏置電流可靈活設定.

（8）失調電壓較大，通常約10毫伏左右，如果需要檢測毫伏以下的微小信號，必須采取補償措施，可根據電路失調電壓Vos的大小和極性，事先在基準電壓扣除一個Vos電壓。

5G14574電壓比較器的主要參數如表3.9-1所示。

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