探索ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393比較器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，比較器是一種至關(guān)重要的基礎(chǔ)元件，它能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，廣泛應(yīng)用于各種電路中。今天，我們就來深入了解Analog Devices公司推出的ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393系列單/雙/四通道比較器。

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特性亮點(diǎn)

電源與輸入特性

• 寬電源電壓范圍：該系列比較器支持2.3 V至5.5 V的單電源電壓操作，這種寬范圍的電源適應(yīng)性使得它能在多種電源環(huán)境下穩(wěn)定工作，無論是低電壓的電池供電系統(tǒng)，還是標(biāo)準(zhǔn)的5V電源系統(tǒng)，都能輕松應(yīng)對。
• 軌到軌共模輸入電壓范圍：輸入電壓范圍可擴(kuò)展至電源軌之外200 mV，即從 -200 mV至 (V_{CC}+200 mV)。相比傳統(tǒng)的單差分對輸入級比較器，它大大擴(kuò)展了允許的輸入電壓范圍，有效解決了低電壓電源下輸入電壓受限的問題。
• 低輸入失調(diào)電壓：在整個共模范圍內(nèi)，典型輸入失調(diào)電壓僅為1 mV，能確保在不同輸入電壓條件下，比較器都能準(zhǔn)確地進(jìn)行信號比較，輸出穩(wěn)定可靠的數(shù)字信號。

輸出與功耗特性

• 開漏輸出：采用開漏輸出級，需要外接上拉電阻將輸出拉至邏輯高電平。這種設(shè)計(jì)的好處是可以靈活選擇上拉電壓，方便與不同邏輯電平的數(shù)字電路接口。不過，上拉電阻的選擇需要平衡功耗和開關(guān)速度，電阻過大會導(dǎo)致功耗降低但開關(guān)速度變慢，電阻過小則會增加功耗。
• 低功耗：單通道的ADCMP391僅消耗18.6 μA的電源電流，雙通道的ADCMP392和四通道的ADCMP393分別消耗22.1 μA和26.8 μA的電源電流。低功耗特性使得它們非常適合用于電池供電的系統(tǒng)，能有效延長電池的使用壽命。

其他特性

• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng) (V_{CC}) 從0.9 V上升到UVLO閾值時，能保證比較器輸出為低電平，避免在電源電壓不穩(wěn)定時比較器輸出出現(xiàn)異常。UVLO閾值典型值為2.162 V，具有5 - 50 mV的滯回特性，可防止電源電壓在閾值附近波動時比較器輸出頻繁翻轉(zhuǎn)。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，確保在不同溫度條件下性能穩(wěn)定。

應(yīng)用領(lǐng)域

電池管理與監(jiān)測

在電池供電系統(tǒng)中，需要實(shí)時監(jiān)測電池的電壓、電流等參數(shù)，以確保電池的安全和高效使用。該系列比較器可用于電池電壓的監(jiān)測，當(dāng)電池電壓低于或高于設(shè)定的閾值時，輸出相應(yīng)的信號，實(shí)現(xiàn)電池的過充、過放保護(hù)。

電源檢測

在電源系統(tǒng)中，需要檢測電源電壓是否正常。比較器可以將電源電壓與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)電源電壓異常時，及時發(fā)出報警信號或采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

窗口比較器

窗口比較器可用于監(jiān)測輸入電壓是否在設(shè)定的電壓范圍內(nèi)。在正電壓監(jiān)測窗口比較器中，通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將被監(jiān)測的正電壓分為高側(cè)電壓和低側(cè)電壓，分別連接到比較器的不同輸入引腳，當(dāng)被監(jiān)測電壓超出設(shè)定范圍時，比較器輸出相應(yīng)的信號。對于負(fù)電壓監(jiān)測，只需對相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行一些修改即可實(shí)現(xiàn)。

閾值檢測器/鑒別器

在許多電路中，需要對輸入信號進(jìn)行閾值檢測，判斷信號是否超過設(shè)定的閾值。比較器可以將輸入信號與閾值電壓進(jìn)行比較，輸出數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)信號的鑒別和處理。

微處理器系統(tǒng)

在微處理器系統(tǒng)中，比較器可用于各種信號的檢測和處理，如電平轉(zhuǎn)換、信號同步等。它可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便微處理器進(jìn)行處理和控制。

工作原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基本比較器原理

比較器的基本功能是將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號。在基本配置中，將INx+引腳的模擬信號與INx - 引腳的參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的電位高低，OUTx引腳輸出高電平或低電平。

軌到軌輸入（RRI）設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的CMOS非RRI級比較器，其輸入電壓受限于一個柵 - 源電壓 (V_{GS}) ，這在低電壓電源下會大大限制輸入電壓范圍。而ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393采用RRI級設(shè)計(jì)，使得輸入信號范圍可擴(kuò)展至電源電壓范圍，甚至超出電源軌200 mV，有效解決了輸入電壓受限的問題。

開漏輸出設(shè)計(jì)

開漏輸出需要外接上拉電阻，上拉電阻的選擇至關(guān)重要。電阻過大，輸出上升時間會變長，影響開關(guān)速度；電阻過小，會增加功耗。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇上拉電阻的阻值。

上電行為

在上電過程中，當(dāng) (V{CC}) 達(dá)到0.9 V時，比較器保證輸出低電平邏輯，當(dāng) (V{CC}) 超過UVLO閾值后，比較器輸入開始起作用。這種設(shè)計(jì)可以避免在電源電壓不穩(wěn)定時比較器輸出出現(xiàn)異常，確保系統(tǒng)的上電穩(wěn)定性。

交叉偏置點(diǎn)

該系列比較器采用雙前端設(shè)計(jì)，PMOS器件在 (V{CC}) 軌附近不活躍，NMOS器件在GND附近不活躍。在共模范圍內(nèi)的某個預(yù)定點(diǎn)（通常為0.8 V和 (V{CC}-0.8 V) ）會發(fā)生交叉，此時測量的失調(diào)電壓會發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時，需要考慮這個交叉點(diǎn)對比較器性能的影響。

比較器滯回

在噪聲環(huán)境或輸入信號幅度較小、變化緩慢的情況下，為了防止比較器輸出頻繁翻轉(zhuǎn)，通常需要給比較器添加滯回。通過兩個電阻可以創(chuàng)建不同的開關(guān)閾值，當(dāng)輸入電壓上升時，閾值高于參考電壓；當(dāng)輸入電壓下降時，閾值低于參考電壓。滯回的存在使得比較器對噪聲和反饋信號具有一定的抗干擾能力。

典型應(yīng)用電路分析

窗口比較器

• 正電壓監(jiān)測：在正電壓監(jiān)測窗口比較器中，通過三個外部電阻將被監(jiān)測的正電壓分為高側(cè)電壓和低側(cè)電壓，分別連接到比較器的不同輸入引腳。當(dāng)被監(jiān)測電壓超出設(shè)定的過壓或欠壓閾值時，比較器輸出相應(yīng)的信號。通過合理選擇電阻值，可以精確設(shè)定過壓和欠壓的閾值。
• 負(fù)電壓監(jiān)測：對于負(fù)電壓監(jiān)測，需要在電壓計(jì)算中考慮參考電壓的影響。將參考電壓連接到電壓分壓器的末端節(jié)點(diǎn)，通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將負(fù)電壓分為高側(cè)電壓和低側(cè)電壓，連接到比較器的相應(yīng)輸入引腳。同樣，通過調(diào)整電阻值來設(shè)定監(jiān)測的閾值。

可編程排序控制電路

該電路用于控制電源的上電和下電順序。通過上拉電阻、負(fù)載電容和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的組合來設(shè)置延遲時間。當(dāng)SEQ信號從低電平變?yōu)楦咦钁B(tài)時，負(fù)載電容開始充電，充電時間決定了最大可編程延遲。通過改變比較器的閾值電壓，可以調(diào)整每個輸出的延遲時間。在電路中添加一個鏡像電阻 (RMIRROR) ，可以實(shí)現(xiàn)鏡像的掉電順序，即上電和下電的延遲順序相反。

閾值和超時可編程電壓監(jiān)控器

該電路用于監(jiān)測輸入電壓是否穩(wěn)定。當(dāng)輸入電壓達(dá)到由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和參考電壓設(shè)定的閾值時，OUT1從低電平變?yōu)楦唠娖?，并開始對超時電容 (C{T}) 充電。如果輸入電壓保持在閾值以上，且 (C{T}) 上的電壓達(dá)到參考電壓，OUT2翻轉(zhuǎn)。如果輸入電壓在 (C{T}) 充電過程中下降到閾值以下， (C{T}) 會快速放電，防止OUT2在輸入電壓不穩(wěn)定時翻轉(zhuǎn)。通過調(diào)整電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和上拉電阻、超時電容的值，可以靈活配置閾值電壓和超時時間。

總結(jié)

ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393系列比較器以其寬電源電壓范圍、軌到軌輸入、低功耗、低失調(diào)電壓等特性，為電子工程師提供了一個高性能、高可靠性的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理利用其特性，注意開漏輸出、上電行為、交叉偏置點(diǎn)、滯回等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，靈活運(yùn)用各種典型應(yīng)用電路，以實(shí)現(xiàn)最佳的電路性能。大家在使用這些比較器的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用場景呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。