探索ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393比较器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，比较器是一种至关重要的基础元件，它能将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于各种电路中。今天，我们就来深入了解Analog Devices公司推出的ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393系列单/双/四通道比较器。

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特性亮点

电源与输入特性

• 宽电源电压范围：该系列比较器支持2.3 V至5.5 V的单电源电压操作，这种宽范围的电源适应性使得它能在多种电源环境下稳定工作，无论是低电压的电池供电系统，还是标准的5V电源系统，都能轻松应对。
• 轨到轨共模输入电压范围：输入电压范围可扩展至电源轨之外200 mV，即从 -200 mV至 (V_{CC}+200 mV)。相比传统的单差分对输入级比较器，它大大扩展了允许的输入电压范围，有效解决了低电压电源下输入电压受限的问题。
• 低输入失调电压：在整个共模范围内，典型输入失调电压仅为1 mV，能确保在不同输入电压条件下，比较器都能准确地进行信号比较，输出稳定可靠的数字信号。

输出与功耗特性

• 开漏输出：采用开漏输出级，需要外接上拉电阻将输出拉至逻辑高电平。这种设计的好处是可以灵活选择上拉电压，方便与不同逻辑电平的数字电路接口。不过，上拉电阻的选择需要平衡功耗和开关速度，电阻过大会导致功耗降低但开关速度变慢，电阻过小则会增加功耗。
• 低功耗：单通道的ADCMP391仅消耗18.6 µA的电源电流，双通道的ADCMP392和四通道的ADCMP393分别消耗22.1 µA和26.8 µA的电源电流。低功耗特性使得它们非常适合用于电池供电的系统，能有效延长电池的使用寿命。

其他特性

• 欠压锁定（UVLO）：当 (V_{CC}) 从0.9 V上升到UVLO阈值时，能保证比较器输出为低电平，避免在电源电压不稳定时比较器输出出现异常。UVLO阈值典型值为2.162 V，具有5 - 50 mV的滞回特性，可防止电源电压在阈值附近波动时比较器输出频繁翻转。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C至 +125°C，能适应各种恶劣的工作环境，确保在不同温度条件下性能稳定。

应用领域

电池管理与监测

在电池供电系统中，需要实时监测电池的电压、电流等参数，以确保电池的安全和高效使用。该系列比较器可用于电池电压的监测，当电池电压低于或高于设定的阈值时，输出相应的信号，实现电池的过充、过放保护。

电源检测

在电源系统中，需要检测电源电压是否正常。比较器可以将电源电压与参考电压进行比较，当电源电压异常时，及时发出报警信号或采取相应的保护措施，保障系统的稳定运行。

窗口比较器

窗口比较器可用于监测输入电压是否在设定的电压范围内。在正电压监测窗口比较器中，通过电阻分压网络将被监测的正电压分为高侧电压和低侧电压，分别连接到比较器的不同输入引脚，当被监测电压超出设定范围时，比较器输出相应的信号。对于负电压监测，只需对相关计算公式进行一些修改即可实现。

阈值检测器/鉴别器

在许多电路中，需要对输入信号进行阈值检测，判断信号是否超过设定的阈值。比较器可以将输入信号与阈值电压进行比较，输出数字信号，实现信号的鉴别和处理。

微处理器系统

在微处理器系统中，比较器可用于各种信号的检测和处理，如电平转换、信号同步等。它可以将模拟信号转换为数字信号，方便微处理器进行处理和控制。

工作原理与设计要点

基本比较器原理

比较器的基本功能是将模拟输入信号转换为数字输出信号。在基本配置中，将INx+引脚的模拟信号与INx - 引脚的参考电压进行比较，根据两者的电位高低，OUTx引脚输出高电平或低电平。

轨到轨输入（RRI）设计

传统的CMOS非RRI级比较器，其输入电压受限于一个栅 - 源电压 (V_{GS}) ，这在低电压电源下会大大限制输入电压范围。而ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393采用RRI级设计，使得输入信号范围可扩展至电源电压范围，甚至超出电源轨200 mV，有效解决了输入电压受限的问题。

开漏输出设计

开漏输出需要外接上拉电阻，上拉电阻的选择至关重要。电阻过大，输出上升时间会变长，影响开关速度；电阻过小，会增加功耗。在实际设计中，需要根据具体的应用场景和要求，合理选择上拉电阻的阻值。

上电行为

在上电过程中，当 (V{CC}) 达到0.9 V时，比较器保证输出低电平逻辑，当 (V{CC}) 超过UVLO阈值后，比较器输入开始起作用。这种设计可以避免在电源电压不稳定时比较器输出出现异常，确保系统的上电稳定性。

交叉偏置点

该系列比较器采用双前端设计，PMOS器件在 (V{CC}) 轨附近不活跃，NMOS器件在GND附近不活跃。在共模范围内的某个预定点（通常为0.8 V和 (V{CC}-0.8 V) ）会发生交叉，此时测量的失调电压会发生变化。在设计时，需要考虑这个交叉点对比较器性能的影响。

比较器滞回

在噪声环境或输入信号幅度较小、变化缓慢的情况下，为了防止比较器输出频繁翻转，通常需要给比较器添加滞回。通过两个电阻可以创建不同的开关阈值，当输入电压上升时，阈值高于参考电压；当输入电压下降时，阈值低于参考电压。滞回的存在使得比较器对噪声和反馈信号具有一定的抗干扰能力。

典型应用电路分析

窗口比较器

• 正电压监测：在正电压监测窗口比较器中，通过三个外部电阻将被监测的正电压分为高侧电压和低侧电压，分别连接到比较器的不同输入引脚。当被监测电压超出设定的过压或欠压阈值时，比较器输出相应的信号。通过合理选择电阻值，可以精确设定过压和欠压的阈值。
• 负电压监测：对于负电压监测，需要在电压计算中考虑参考电压的影响。将参考电压连接到电压分压器的末端节点，通过电阻分压网络将负电压分为高侧电压和低侧电压，连接到比较器的相应输入引脚。同样，通过调整电阻值来设定监测的阈值。

可编程排序控制电路

该电路用于控制电源的上电和下电顺序。通过上拉电阻、负载电容和电阻分压网络的组合来设置延迟时间。当SEQ信号从低电平变为高阻态时，负载电容开始充电，充电时间决定了最大可编程延迟。通过改变比较器的阈值电压，可以调整每个输出的延迟时间。在电路中添加一个镜像电阻 (RMIRROR) ，可以实现镜像的掉电顺序，即上电和下电的延迟顺序相反。

阈值和超时可编程电压监控器

该电路用于监测输入电压是否稳定。当输入电压达到由电阻分压网络和参考电压设定的阈值时，OUT1从低电平变为高电平，并开始对超时电容 (C{T}) 充电。如果输入电压保持在阈值以上，且 (C{T}) 上的电压达到参考电压，OUT2翻转。如果输入电压在 (C{T}) 充电过程中下降到阈值以下， (C{T}) 会快速放电，防止OUT2在输入电压不稳定时翻转。通过调整电阻分压网络和上拉电阻、超时电容的值，可以灵活配置阈值电压和超时时间。

总结

ADCMP391/ADCMP392/ADCMP393系列比较器以其宽电源电压范围、轨到轨输入、低功耗、低失调电压等特性，为电子工程师提供了一个高性能、高可靠性的选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理利用其特性，注意开漏输出、上电行为、交叉偏置点、滞回等设计要点，灵活运用各种典型应用电路，以实现最佳的电路性能。大家在使用这些比较器的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用场景呢？欢迎在评论区分享交流。