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，還要生産專門的比較器芯片。今天我們來學習一下比較器芯片和運放電路的區别。

運放芯片的第一個問題就是運放的輸出電壓很難做到軌到軌(Rail-to-Rail)，也就是說運放的輸出很難達到正電源電壓。

LM358 數據手冊中的共模電壓範圍顯示，其輸出的最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 内部電路的差分輸入級（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

運放内部電路中的這些三極管會産生一定的壓降，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的差距：

無法軌到軌

圖中 Rail 表示正軌或正電源電壓；-Rail 表示負軌或負電源電壓。黃色波形是輸入波形，藍色波形是輸出波形。

請記住運放被設計用于在線性放大區域工作而不适合在軌到軌（正負電源）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的差分輸入級：

差分輸入級

比較器的輸出為集電極開路 (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，然後将開漏輸出引腳接到負電源的方式，将其輸出驅動到完全飽和或截止：

完全飽和或截止

我們通過一個具體的電路看一下運放的輸能否做到軌到軌（Rail-to-Rail）。

下圖是一個典型的運放比較器電路：

運放比較器電路

兩個10k 電阻構成分壓器接到反相輸入引腳，提供一個比較參考電壓 5 伏。正弦信号輸入到同相引腳。同相輸入引腳我們輸入一個以 5 伏為中心的正弦波，這會在輸出引腳輸出一個方波。

面包闆上組裝好的電路如下：

面包闆上的運放比較器電路

波形如下：

運放比較器電路波形

紫色波形是接到同相輸入的正弦波，青色是輸出波形，黃色是正電源電壓。

可以看到輸出波形的峰值達不到正電源電壓，我們用示波器光标測量功能測量其和正電源電壓的差距是 1.43 伏，接近數據手冊中的 1.5 伏：

遙不可及的夢

下圖是一個用比較器芯片 LM311 搭建的和上面的運放比較器電路功能相同的電路：

注意其輸出需要接上拉電阻。

在面包闆上組裝完成的 LM311 比較器電路：

面包闆上的比較器芯片電路

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)。

運放或運放比較器電路的第二個缺點就是其輸出響應很慢。

我們看運放芯片内部有一個小小的補償電容：

運放芯片 LM358 内部的補償電容

而比較器芯片内部則沒有這顆電容：

比較器芯片 LM311 内部沒有補償電容

運放内部的補償電容導緻了運放的輸出響應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的輸出，青色波形是比較器芯片輸出波形：

運放輸出響應慢

可以看到比較器芯片輸出可以達到 10 伏的正軌電壓，比較器能夠快速達到正軌電壓，而運放受制于較低的壓擺率響應速度相對而言有些慢。

我們放大波形看看:

輸出響應時間比較

我們測量波形的上升時間，即波形從10% 上升到 90% 所需的時間。 可以看到比較器以 4.76 微秒的速度快速上升。 受限于較低其壓擺率，運放的上升時間達到了 28 微妙。

我們通過另一個例子來體會一下專用比較器芯片的快速響應速度。

下面是一個運放比較器電路：

運放比較器電路

兩個 10k 的電阻構成的分壓器為同相引腳提供 2.5 伏的比較參考電壓。可調電阻接到反相引腳，其可調電壓範圍為 0~5 伏：

當 2 腳電壓 > 2.5 伏時，輸出為 GND, LED 點亮；

當 2 腳電壓 < 2.5 伏時，輸出為 5伏, LED 熄滅。

面包闆上組裝好的電路如下：

面包闆上組裝好的運放比較器電路

來回旋轉可調電阻，可以反複點亮或熄滅 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。

我們使用比較器芯片 LM311 搭建上面的比較電路，電路圖如下：

比較器芯片 L:M311 電路

面包闆上組裝好的電路如下：

面包闆上組裝好的電路

來回旋轉可調電阻，可以反複點亮或熄滅 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。觸發方式設置為正常， 這樣隻有發生觸發時波形才會刷新，否則波形不動。我們将時基調整到 2ms 時， 旋轉電位計，LED 由亮到滅時截取的波形如下：

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）。

将波形放大看看：

輸出波形有振蕩

為啥會産生這些振蕩？

要知道這個世界上沒有完美的信号，信号上總是多多少少有一些噪音。電位計輸出的電壓不是穩定的它有一定的噪音，在調節電壓接近同相引腳的參考電壓時，這些上下抖動的噪音會導緻比較器輸出抖動。不要忘了運放（比較器也是一個運放）是對兩個輸入引腳的壓差非常敏感的，隻要這兩者之間的壓差比零大一點，哪怕是非常小，也會被放大反應到輸出引腳上。

我畫了一個簡單的圖來說明這個問題：

輸入信号有噪音，導緻輸出振蕩

可以看到輸入信号在接近參考電壓 2.5 伏時，其上面的噪音會在 2.5 伏上下抖動，導緻輸出也跟着抖動。

問題的解決很簡單，把比較器配置成施密特觸發器就可以了，具體可以參考我的另一篇文章：運放教程2-正反饋電路。 這裡我們在輸出引腳和同相引腳之間加一個10k的電阻即可。

加上正反饋電阻後的波形截圖：

可以看到波形幹淨利落，沒有任何雜波。

前面運放組成的比較器電路反而沒有這個問題，那是因為運放的輸出響應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号上的噪音，這也算傻人有傻福吧。比較器芯片能夠快速捕捉輸入信号的變化，雖然在輸入信号有噪音時這可能會導緻一些問題，但是對于一些要求快速響應的信号你就必須得使用專用比較器芯片了。

LM311 的響應時間可達 165 納秒:

165 納秒

今天我們學習了比較芯片，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點：

1. 輸出可以做到軌到軌
2. 快速的響應時間

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