解决比较器的主要挑战：负输入和反相

当比较器中的大负输入电压超出输入共模电压范围时，可能会出现不正确的输出行为。在无法避免负输入电压的情况下，保护比较器的输入引脚并防止发生称为反相（也称为反相）的现象非常重要。

在本文中，我将探讨比较器中负输入电压的原因和影响、反相行为以及如何保护输入免受负电压影响。

负输入的原因和影响

负电压可能来自许多意想不到和不可避免的来源，包括 DC/DC 转换器中的开关噪声、在输入端产生双极电压的交流耦合输入以及来自双极输出的电感源的振铃。在汽车和工业应用等系统中，大的负输入也可能来自接地偏移或接地偏移，其中有两个不同的参考点位于不同的电位；当存在分离的接地层以将模拟电路与大电流开关节点隔离时，就会发生这种情况。

制造商制造的比较器没有专用的静电放电结构，以使用结隔离芯片工艺来防止大的负输入电压，其中 PN 结在连接到公共芯片基板的每个节点下就像二极管一样。保持与公共芯片基板的连接处于与 GND 引脚相连的最负电位是很重要的。如果输入引脚比 GND 引脚更负 - 因此基板 - 过多的反向电流将导致寄生元件出现并打开内部寄生 N 沟道 P 沟道 N 沟道晶体管，从其他内部节点和通道获取电流. 这可能导致相位反转。

相位反转

在反相条件下，输出的极性会错误地反转。图 1 显示了一个采用同相配置的比较器，其中 IN– 处的参考电压与 GND 处的 0 V 相连。当输入电压低于 0 V 时，输出电压会按预期变低。然而，当输入达到约 –570 mV 时，输出电压会反转并变高。

图 1：比较器中的相位反转

图 2 显示了输入扫描低于 0 V 时比较器的输入和电源电流。随着输入电压的负向增加，反向电流显着增加。由于额外的 PN 结现在打开并导通，电源电流也会增加。

图 2：负输入引起的输入电流和电源电流

如何保护输入免受负电压影响

为了保护比较器的输入并防止反相，您必须首先分析设备的最小输入电压和最大输入电流。图 3 显示了LM2903B的绝对最大额定值表，其中规定最小输入电压为 –0.3 V，最大输入电流为 50 mA。这些规范无法定义负输入电压超过 0.3 V 的操作，因为它违反了输入电压规范并且不能保证正常操作。比较器可以承受的最大电流为 50 mA：任何大于该值的电流都可能损坏器件。虽然将电流限制在 50 mA 以下不会损坏器件，但仍可能发生反相，这意味着您必须将电流限制在远低于 50 mA 的值才能使比较器正常工作。

图 3：LM2903B 的绝对最大额定值表

我不建议在它们的绝对最大限制之外操作这些设备。在无法避免这样做的情况下，使用串联限流电阻和外部肖特基二极管，放置在输入引脚至 GND，有助于将电压和电流限制在安全水平，从而使体二极管不会启动进行，如图 4 所示。

图 4：在比较器电路的输入端带有肖特基二极管的限流电阻器

一般的经验法则是选择一个最大负电压每电压为 1 kΩ 的电阻器，以便将电流限制在 1 mA 或以下。例如，如果最大负输入电压为 –2 V，则电阻器必须至少为 2 kΩ 或更大。遵循此规则将确保输入电流完全在绝对最大规格范围内，并防止损坏比较器。

肖特基二极管的正向电压低于体二极管，在体二极管开始导通约 0.4 V 之前将开始导通约 0.2 V。这个外部二极管连同将电流保持在 1 mA 或更低，将有助于确保负输入电压信号钳位在 0.3 V 以下，从而避免相位反转。

另一种选择是使用具有更好的反相保护功能的比较器，例如TLV1701高压微功率比较器。图 5 显示了其绝对最大额定值。最小输入电压比 V S低 0.5 V ，最大输入电流为 10 mA。

图 5：TLV1701 的绝对最大额定值表

图 6 显示了采用同相配置的 TLV1701，其反相输入在 GND 处连接到 0 V。当输入电压低于 0V 时，输出电压不会反相，即使输入电压超出 –0.5V 限制也是如此。随着输入更负向扫描，输入电流将开始呈指数增加并超过 10mA 的最大限制，这可能会损坏比较器。因此，在输入端串联一个 10kΩ 电阻有助于将电流降低到安全水平。

图 6：TLV1701 的输出电压与负输入

结论

使用比较器进行设计时，重要的是要考虑负输入的影响以及它们如何导致输出中的相位反转。在汽车和工业应用等许多系统中，这些大的负电压是不可避免的。不保证超出推荐限值的操作，因此采取措施防止损坏比较器和防止发生反相至关重要。使用本文中提到的方法有助于提高电路性能并最大限度地减少可能导致系统中下游设备出现问题的不需要的输出行为。