解决比较器的主要挑战：输入共模电压范围

输入共模电压范围（通常缩写为 V CM或 VICR）是一个在模拟世界中被广泛认可但在比较器世界中被误解的术语。对于放大器，V CM定义 为施加到两个输入端的平均电压。但是对于一个比较器来说，它的含义就完全不同了。

比较器的正常操作意味着两个输入交叉，导致输出发生变化。让我们分析图 1 所示的同相比较器配置，其瞬态行为如图 2 所示。

图 1：同相比较器配置

图 2：同相比较器瞬态行为

在图 2 中，如果同相端的电压（橄榄绿）大于反相端的电压（红色），则输出（绿色）为高电平。如果反相端电压大于同相端电压，则输出为低电平。比较器的输入 V CM是两个输入电压相互交叉的开关点。仍确保正常工作的开关点的电压范围称为比较器的输入 V CM。

表 1 显示了 LM393 的 V CM，其范围从负电源 V– 到低于正电源 V+ 1.5 V 或 2 V，具体取决于器件的温度。

表 1：来自 LM393 数据表表 6.7 电气特性的行

如果我在室温下使用 3.3 V 电源为该设备供电，则设备的输入 V CM介于接地和 1.8 V 之间。如果开关点高于 1.8 V，则设备可能无法运行。如果一个或两个输入违反V CM，可能会发生不正确的操作。

什么限制了输入 V CM？

比较器的输入级限制输入V CM。让我们首先看一下 TL331 数据表中的功能框图（图 4）。输入级包括一个用于 P 通道、N 通道、P 通道 (PNP) 的差分对，其发射极连接到电流源。为了使差分对上的 PNP 晶体管导通，从发射极到基极 (V EB )需要有一个电压降 （对于 N 沟道、P 沟道、N 沟道配置，这将是基极到发射极 [ V BE ]）。

图 3：TL331 功能框图

电流源通常是一个电流镜，如图 5 所示。要使电流源工作，Q2 的发射极到集电极电压需要超过最小正向有效电压要求 (V EC (Sat) )。

图 4：PNP 电流镜

随着比较器输入电压的增加，满足差分对晶体管的 V EB导通和电流镜晶体管的 V EC (Sat)的可用裕量越来越小。当这种情况发生时，V EC开始收缩，而 V EB仍然保持坚挺。当 V EC (Sat)不超过 Q2 时，电流镜的电流产生能力显着降低，这就是为什么一些比较器使 V CM上升到低于电源电压的值的原因。其他具有 NPN 晶体管输入级的器件指定的 V CM范围从一个值到正电源。

为什么即使超过数据表上的输入V CM设计也能工作

数据表上的V CM值考虑了跨工艺、电压和温度 (PVT) 的性能。回顾图 4 中的 TL331 示例，V BE和 V CE随温度波动。

图 6、7 和 8 显示了 LM393 在与图 1 类似的同相配置中的性能。在这种情况下，电源电压设置为 5V。100Hz、1Vpp、3.9V 的直流斜坡波形 (黄色）连接到同相端子，同时向反相端子施加 3.9V DC参考信号（紫色）。这是一个应用示例，其中 3.9 V 的开关点违反了 V CM；使用此电源，符合标准的 V CM为 3 V 或更低。

在室温下，比较器在超过 3.9 V 时工作并切换，如图 6 所示。比较器在加热时也工作，如图 7 所示。当我冷却设备时，它开始出现故障，因为输出（绿色）在图 8 中表示。

图 5：LM393 在 V CM之外的室温性能

图 6：LM393 在 V CM之外的高温性能

图 7：LM393 在 V CM之外的低温性能

当我降低输入电压以确保开关点在器件的VCM范围内时，同一器件在所有温度范围内都能正常工作。斜坡波形现在处于 2 V 的较低 DC 偏移，参考为 2 V，确保开关点保持在 V CM范围内。图 9、10 和 11 显示了 LM393 如何在整个温度范围内正常工作。

图 8：LM393 在 V CM内的室温性能

图 9：LM393 在 V CM内的高温性能

图 10：LM393 在 V CM内的低温性能

我从一个单元中获取了所有这些范围捕获。如果我要测试另一个 LM393 样品，超出指定 V CM范围的性能可能会有所不同。在室温下，V CM上限可能与测试单位不同。这称为过程变化，其中性能可能会因批次变化或不均匀的制造程序而变化。

这种变化的最后一部分是电压变化。不同的电源电压下，零件的行为可能会有所不同。在图 6、7 和 8 的设置中，如果电源电压增加到最大允许的 36 V，且 V CM违规相同，则性能可能会有所不同。在使用比较器设计系统时，必须将输入保持在 V CM范围内以避免这些问题。

结论

当任一输入超出范围时，输入 V CM会导致设备无法正常工作。超出此范围会导致比较器输入级的偏置出现问题。请记住，数据表规范之外的一个或两个输入违反了 V CM。即使系统在违反 V CM时工作，它也可能在不同的电源电压、不同的工作温度或更换集成电路时无法工作。

在创建使用比较器的系统时，将每个输入信号保持在输入 V CM的数据表规范内，以保持 PVT 的功能。