我們知道運放可以配置成比較器電路，但市面上還有一種比較器芯片，比如：LM311、LM393 等。這是為啥？為啥運放明明可以配置成比較器電路，還要生產(chǎn)專門得比較器芯片。今天我們來學(xué)習(xí)一下比較器芯片和運放電路得區(qū)別。
缺點一運放芯片得第壹個問題就是運放得輸出電壓很難做到軌到軌(Rail-to-Rail)，也就是說運放得輸出很難達到正電源電壓。
LM358 數(shù)據(jù)手冊中得共模電壓范圍顯示，其輸出得蕞大電壓為正電源電壓減去 1.5：
共模電壓
下面是運放芯片 LM358 內(nèi)部電路得差分輸入級（Input Stage）:
差分輸入級
電壓放大級(Voltage Amplifier Stage)：
電壓放大級
輸出級（Output Stage）是一個推挽電路：
輸出級
運放內(nèi)部電路中得這些三極管會產(chǎn)生一定得壓降，因此輸出電壓不可能達到完全飽和，它總是和電源電壓有一定得差距：
無法軌到軌
圖中 +Rail 表示正軌或正電源電壓；-Rail 表示負(fù)軌或負(fù)電源電壓。黃色波形是輸入波形，藍色波形是輸出波形。
請記住運放被設(shè)計用于在線性放大區(qū)域工作而不適合在軌到軌（正負(fù)電源）電源之間擺動輸出。
相比之下，通用比較器芯片仍然具有類似得差分輸入級：
差分輸入級
比較器得輸出為集電極開路 (Open Collector)輸出和漏極開路（Open Drain）輸出, 因此其輸出完全可以達到軌到軌，也就是輸出電壓可以達到電源電壓：
輸出級
我們可以通過在比較器芯片外部加一個上拉電阻，然后將開漏輸出引腳接到負(fù)電源得方式，將其輸出驅(qū)動到完全飽和或截止：
完全飽和或截止
運放比較器電路我們通過一個具體得電路看一下運放得輸能否做到軌到軌（Rail-to-Rail）。
下圖是一個典型得運放比較器電路：
運放比較器電路
兩個10k 電阻構(gòu)成分壓器接到反相輸入引腳，提供一個比較參考電壓 5 伏。正弦信號輸入到同相引腳。同相輸入引腳我們輸入一個以 5 伏為中心得正弦波，這會在輸出引腳輸出一個方波。
面包板上組裝好得電路如下：
面包板上得運放比較器電路
波形如下：
運放比較器電路波形
紫色波形是接到同相輸入得正弦波，青色是輸出波形，黃色是正電源電壓。
可以看到輸出波形得峰值達不到正電源電壓，我們用示波器光標(biāo)測量功能測量其和正電源電壓得差距是 1.43 伏，接近數(shù)據(jù)手冊中得 1.5 伏：
遙不可及得夢
比較器芯片電路下圖是一個用比較器芯片 LM311 搭建得和上面得運放比較器電路功能相同得電路：
注意其輸出需要接上拉電阻。
在面包板上組裝完成得 LM311 比較器電路：
面包板上得比較器芯片電路
LM311 比較器電路波形：
比較器芯片 LM311 波形
可以看到輸出電壓已基本和正電源電壓重合了，做到了軌到軌（Rail-to-Rail)。
缺點二運放或運放比較器電路得第二個缺點就是其輸出響應(yīng)很慢。
我們看運放芯片內(nèi)部有一個小小得補償電容：
運放芯片 LM358 內(nèi)部得補償電容
而比較器芯片內(nèi)部則沒有這顆電容：
比較器芯片 LM311 內(nèi)部沒有補償電容
運放內(nèi)部得補償電容導(dǎo)致了運放得輸出響應(yīng)相對通用比較器芯片而言有點慢。
下圖中黃色波形是運放比較器電路得輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：
運放輸出響應(yīng)慢
可以看到比較器芯片輸出可以達到 10 伏得正軌電壓，比較器能夠快速達到正軌電壓，而運放受制于較低得壓擺率響應(yīng)速度相對而言有些慢。
我們放大波形看看:
輸出響應(yīng)時間比較
我們測量波形得上升時間，即波形從10% 上升到 90% 所需得時間。 可以看到比較器以 4.76 微秒得速度快速上升。 受限于較低其壓擺率，運放得上升時間達到了 28 微妙。
傻人有傻福我們通過另一個例子來體會一下專用比較器芯片得快速響應(yīng)速度。
運放比較器電路下面是一個運放比較器電路：
運放比較器電路
兩個 10k 得電阻構(gòu)成得分壓器為同相引腳提供 2.5 伏得比較參考電壓。可調(diào)電阻接到反相引腳，其可調(diào)電壓范圍為 0~5 伏：
當(dāng) 2 腳電壓 > 2.5 伏時，輸出為 GND, LED 點亮；
當(dāng) 2 腳電壓 < 2.5 伏時，輸出為 +5伏, LED 熄滅。
面包板上組裝好得電路如下：
面包板上組裝好得運放比較器電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點亮或熄滅 LED。
探頭接在運放輸出引腳（1腳）上，時基為 2ms ， LED 由亮到滅時波形截圖如下：
比較器電路波形
看上去一切正常，很好。
比較器芯片電路我們使用比較器芯片 LM311 搭建上面得比較電路，電路圖如下：
比較器芯片 L:M311 電路
面包板上組裝好得電路如下：
面包板上組裝好得電路
來回旋轉(zhuǎn)可調(diào)電阻，可以反復(fù)點亮或熄滅 LED。
我們把示波器探頭放到比較器芯片輸出引腳 7 上，看看波形。觸發(fā)方式設(shè)置為正常， 這樣只有發(fā)生觸發(fā)時波形才會刷新，否則波形不動。我們將時基調(diào)整到 2ms 時， 旋轉(zhuǎn)電位計，LED 由亮到滅時截取得波形如下：
輸出波形有毛刺
可以看到 LED 由亮到滅時波形有很多毛刺（或者振蕩）。
將波形放大看看：
輸出波形有振蕩
為啥會產(chǎn)生這些振蕩？
要知道這個世界上沒有完美得信號，信號上總是多多少少有一些噪音。電位計輸出得電壓不是穩(wěn)定得它有一定得噪音，在調(diào)節(jié)電壓接近同相引腳得參考電壓時，這些上下抖動得噪音會導(dǎo)致比較器輸出抖動。不要忘了運放（比較器也是一個運放）是對兩個輸入引腳得壓差非常敏感得，只要這兩者之間得壓差比零大一點，哪怕是非常小，也會被放大反應(yīng)到輸出引腳上。
我畫了一個簡單得圖來說明這個問題：
輸入信號有噪音，導(dǎo)致輸出振蕩
可以看到輸入信號在接近參考電壓 2.5 伏時，其上面得噪音會在 2.5 伏上下抖動，導(dǎo)致輸出也跟著抖動。
問題得解決很簡單，把比較器配置成施密特觸發(fā)器就可以了，具體可以參考我得另一篇文章：運放教程2-正反饋電路。 這里我們在輸出引腳和同相引腳之間加一個10k得電阻即可。
加上正反饋電阻后得波形截圖：
可以看到波形干凈利落，沒有任何雜波。
前面運放組成得比較器電路反而沒有這個問題，那是因為運放得輸出響應(yīng)時間相對于專用比較器芯片來說太慢了，它沒能捕捉到輸入信號上得噪音，這也算傻人有傻福吧。比較器芯片能夠快速捕捉輸入信號得變化，雖然在輸入信號有噪音時這可能會導(dǎo)致一些問題，但是對于一些要求快速響應(yīng)得信號你就必須得使用專用比較器芯片了。
LM311 得響應(yīng)時間可達 165 納秒:
165 納秒
總結(jié)今天我們學(xué)習(xí)了比較芯片，這道了比較器芯片相對運放芯片來說至少具有下面兩個優(yōu)點：
- 輸出可以做到軌到軌快速得響應(yīng)時間
