解決比較器的主要挑戰:負輸入和相位反轉

當比較器中的負輸入電壓較大、超出輸入共模電壓范圍時，會出現不正確的輸出行為。如果無法避免負輸入電壓，請務必保護比較器的輸入引腳并防止發生相位反轉現象，這一點非常重要。

在本文中，我將探討比較器中出現負輸入電壓的原因和影響、相位反轉行為以及如何保護輸入免受負電壓的影響。

負輸入的原因和影響

負電壓可能由許多意想不到和不可避免的原因引起，包括直流/直流轉換器中的開關噪聲、在輸入端產生雙極電壓的交流耦合輸入以及來自雙極輸出電感源的振鈴。在汽車和工業應用等系統中，接地偏移或接地漂移（其中有兩個位于不同電位的不同參考點）也可能會產生較大的負輸入；當存在分離的接地平面將模擬電路與大電流開關節點隔離時，就會發生這種情況。

制造商在制造比較器時沒有專門的靜電放電結構，而是采用結隔離式裸片工藝來免受較大負輸入電壓的影響，其中P-N結在連接到公共裸片基板的每個節點下起著二極管的作用。請務必保持與公共裸片基板的連接位于GND引腳的最低負電位處，這一點非常重要。如果輸入引腳比GND引腳（以及基板）的負電壓更低，那么過大的反向電流會導致寄生元件的出現，并開啟內部寄生NPN晶體管，這些晶體管從其他內部節點和通道獲取電流，這會導致相位反轉。

相位反轉

在相位反轉條件下，輸出的極性會錯誤地反轉。圖1顯示了一個采用同相配置的比較器，其中IN處的基準電壓與GND處的0V相連。當輸入電壓低于0V時，輸出電壓就會按預期變為低電平。然而，當輸入電壓達到約–570mV時，輸出電壓會反轉并變為高電平。

圖1 比較器中的相位反轉

圖2顯示了當輸入低于0V時的比較器輸入電流和電源電流。隨著輸入電壓負向增加，反向電流也顯著增加。由于額外的P-N結現已打開并導通，因此電源電流也會增加。

圖2 負輸入引起的輸入電流和電源電流

如何保護輸入免受負電壓的影響

為了保護比較器的輸入并防止相位反轉，您必須首先分析器件的最小輸入電壓和最大輸入電流。圖3顯示了LM2903B的絕對最大額定值表，其中規定最小輸入電壓為–0.3V，最大輸入電流為50mA。這些規格導致無法定義負輸入電壓超過0.3V的操作，因為這不符合輸入電壓規格，不能確保正常運行。比較器可承受的最大電流為50mA：任何大于該值的電流都可能損壞器件。雖然將電流限制在50mA以下不會損壞器件，但仍可能發生相位反轉，這意味著您必須將電流限制為一個遠低于50mA的值，才能使比較器正常運行。

表3 LM2903B的絕對最大額定值表

不建議在絕對最大限值之外運行這些器件。如果無法避免這樣做，請使用一個串聯限流電阻和一個外部肖特基二極管，將其放置在輸入引腳和GND之間，這有助于將電壓和電流限制在安全水平，使體二極管不會開始導通，如圖4所示。

圖4 比較器電路輸入端帶有肖特基二極管的限流電阻

一般經驗法則是選擇一個與最大負電壓之比為每伏1kΩ的電阻，以便將電流限制在 1mA或以下。例如，如果最大負輸入電壓為–2V，則電阻必須至少為2kΩ。遵循此規則將確保輸入電流完全在絕對最大值規格范圍內，防止損壞比較器。

肖特基二極管的正向電壓比體二極管低；體二極管導通電壓約為0.4V，而肖特基二極管約為0.2V。這個外部二極管（連同將電流保持在1mA或更低的特性）將有助于確保負輸入電壓信號鉗位在0.3V以下，從而避免相位反轉。

另一種方法是使用能夠更好地防止相位反轉的比較器，例如TLV1701高電壓微功耗比較器。圖5顯示了其絕對最大額定值。最小輸入電壓比VS–低0.5V，最大輸入電流為10mA。

表5 TLV1701的絕對最大額定值表

圖6顯示了采用同相配置的TLV1701，其反相輸入與GND處的0V相連。當輸入電壓低于0V時，即使輸入電壓超出–0.5V限制，輸出電壓也不會反相。當輸入負向增加時，輸入電流將開始呈指數增長，并超過10mA的最大限制，這可能會損壞比較器。因此，在輸入端串聯一個10kΩ電阻有助于將電流降低到安全水平。

圖6 TLV1701具有負輸入的輸出電壓

結語

使用比較器進行設計時，務必要考慮負輸入的影響以及它們如何導致輸出發生相位反轉。在汽車和工業應用等許多系統中，不可避免地會出現上述較大的負電壓。運行超出推薦限值時沒有安全保障，因此采取措施防止比較器損壞和相位反轉至關重要。使用本文提到的方法有助于提高電路性能，并盡量減少可能導致系統下游器件出現問題的不必要輸出行為。