不要否定单电源比较器的作用

tim Green1
作为一名技术还不错，喜欢挑毛病的工程师，我对很多事情都持否定和消极的态度。然而，从我的经验来讲，我想在这里告诉大家的是绝对不要否定单电源比较器的作用，特别是在你不希望应用中产生过多延迟时更是如此！
TLV3701是一款由静态电流典型值为560nA的电源供电的“纳米功耗级比较器”。从图表1中列出的主要技术规格可以看到，在差分输入过驱电压为50mV时，传播延迟时间，t(PHL)，从高到低，额定值为37us。


我有一个客户，他恰巧是数字设计工程师，对模拟技术略知一二，他送来过一份图2中显示的纳米功率级比较器电路图。现在已经过时的“一位”器件（留些情面，就不指名道姓了）曾经到处宣传德州仪器 (TI) 部件根本就不符合数据表中的技术规格，特别是传播延迟技术规格，数据表中的值与实际应用中的值之间的误差有62倍。图2中显示的是老式一位器件的单电源比较器电路。需要注意的是，由于担心会出现错误触发比较器的噪声，在比较器的Vin+和Vin-之间加入了电容器C1。


图3显示了比较器电路的运转波形。Vcc电源循环期间，观察到的从高到低传播延迟为2.33ms（数据表中的技术规格为37us）。测量传播延迟的起始点是Vcc在Vout根据Vin+和Vin-上的电压进入其正确状态前达到部件最小电源电压时。在整个电源周期期间，由于Vin-大于Vin+，所以Vout应该为0V。需要注意的是，分别用于Vin+和Vin-的电阻分压器会在电容器C1上形成差分电压。导致的结果就是比较器的Vin+比Vin-低。乍看起来，当Vcc变为零值时，电容器上的电压放电为零值需要一定的时间，这是因为在Vin+和Vin-分压器中使用了较大电阻值的电阻器。
当Vcc处于零电压时（Time=t0），比较器的Vin+为-74.5mV，由于在比较器输出到Vin+之间有一个1兆欧的电阻器，RH，电压输出Vout也被保持在-57.29mV。Time=t1时，Vcc=1.7V，比较器内部电路开始活跃起来，但是输出随电源发生变化，这是因为没有足够大的电压来正确地偏置所有内部电路。很多运算放大器和比较器加电时，在没有达到最小额定电源电压前，经常会看到这种情况。Time=T2时，对于比较器来说，Vcc已经达到2.7V的最小电源电压，传播延迟的测量区间为T2到T3，此时Vout进入正确的0V状态。
那么为什么T2与T3之间的时间不是数据表中的额定值37us呢？需牢记的是，TLV3701的静态电源电典型值流只有560nA。在Vcc=2.7V的最小值时，这些电流不足以为所有内部电容器充电，这样的话就无法达到正确状态。当这些内部电容器上的起始电压不是0V而是负电压的时候更是如此！所以，我们该如何避免所有这些单电源比较器的消极影响，而又仍然保持Vin+和Vin-上的噪声过滤功能呢？


在图4中，我们修改了老式一位电路，保留了噪声过滤，但是消除了与这个电路相关的负面影响。如图所示，通过将C1拆分为C1A和C1B，我们可以过滤Vin+和Vin-至接地的连接，以便有效的滤除噪声，而又不会在Vcc的电源循环期间生成任何的负电压。


我们使修改后的比较器电路符合一位原始电路在图5中所显示的同样的Vcc循环。需要注意的是，由于t2的持续时间变得很短，所以不会在他周围看到传播延迟。在图6中，我们将t2周围的区间放大，可以看到t2和t3之间测得的传播延迟为数据表额定值37us。




所以这个故事的真谛在于消极的态度会产生有害的项目延迟，而单电源比较器上的负电压将会引入不必要的传播延迟！幸运的是，从模拟工程设计角度来讲，这一问题的解决方案就是在Vin+和Vin-的接地之间分别加入一个简单的旁路电容器。