高速比较器的一个“通病”

EDN电子技术设计 · 公众号 · · 2025-01-28 13:45

正文

比较器检测模拟脉冲说明（一）

比较器检测模拟脉冲说明（二）

比较器检测模拟脉冲说明（三）

概述

继续说明（二）探讨的比较器使用问题，然后延展到高速比较器选型问题。第四次迭代已经修正了比较器与后级或门器件的互联端接问题，然而比较器输出仍然在较低参考阈值电压设置时出现了问题。本文主要探索该问题出现的原因，及找寻解决此问题的方法。

高速比较器与后级互联端接修正后的信号测量结果

前文说明（二）中提到了在较低参考阈值电压设置的时候，比较器输出出现了异常。经过研读MAX9601EUP技术手册，发现之前所谓的“台阶”问题，在手册中也有提到。即所有高速比较器有一个“通病”，当输入脉冲经过参考阈值区域时，这类器件的高增益带宽积（GBW）容易产生震荡问题。这通常是由于寄生路径导致的正反馈，从而产生的该问题。所以，为了使得MAX9601EUP输出无震荡或无台阶（器件手册称为“Step”）的干净信号，就要求输入脉冲信号的转换速率（Slew Rate）不低于5V/µs。当然，为了适应较低转换速率的输入脉冲信号，MAX9601EUP可以提供迟滞功能模块（Hysteresis）。如图1所示，在使能了比较器的迟滞功能后，比较器的输出以及后续电路节点可以测量得到干净的脉冲信号，可以看到脉冲下降沿的确“无震荡”、“无台阶”了。

图1：使能迟滞功能后，比较器输出及后续电路节点信号质量

打开迟滞功能后，虽然解决了比较器输出脉冲质量问题，但是对于系统测试来说并不够。因为，打开迟滞后，参考阈值电压最低只能设置到7mV，如图2所示，参考阈值设置到6mV时，比较器输出失去了脉冲信号。

图2：打开迟滞功能模块，参考阈值电压设置到6mV时比较器输出失去了脉冲信号

迟滞（Hysteresis）功能介绍

所谓Hysteresis其实通俗点讲，就是允许比较器有个判决的冗余空间。如果输入模拟信号是矩形方波的话，是不需要这个功能的，如图1和图2中的黄色脉冲信号，是一个典型的指数脉冲。其上升沿爬升迅速，而下降沿下降缓慢，所以上升沿判决“果断”，而下降沿判决的时候就需要冗余“迟滞”来增强判决的正确性，从而得到正确的结果。也即是说，此脉冲上升沿的slew rate足够快，而下降沿的slew rate则不够迅速，需要“开通”Hysteresis功能，才能形成正确的下降沿。

所谓的迟滞就是指输入滞回，举个例子，假如在2.5V下检测到从低到高的转变，100mV的滞后意味着在2.55V时检测到低到高的转变，在2.45V时检测出高到低的转变，相差100mV。也即最终判决就滞后100mV（这里需要注意的是，这里的上下各50mV，不同厂家对此定义有差别，有些定义Hysteresis为整个范围，有些定义是半个范围，需要具体对待）。

图3：噪声对比较器输出的影响

图3显示的是输入脉冲信号上的噪声对于比较器输出的影响，图1和图2实测的输入信号，这类噪声主要出现在脉冲的下降沿。

诚如上述例子，当噪声出现，也即信号有可能在2.5V附近多次穿过参考阈值电压，所以看到图3中输出信号出现了“震荡”。打开滞回（Hysteresis）功能，就可以防止出现多次判决上下穿越参考阈值电压的情况。

那么滞回（Hysteresis）到底是个什么工作原理，为了说明，图4给出了滞回（Hysteresis）示意图。100mV滞后意味着低于100mV的噪声水平不会影响阈值通过。应用哪个阈值取决于你是从低到高（应用的是较高的阈值，类似使用“上限”）还是从高到低（应用的是较低的阈值，类似使用“下限”）。其实还是如前述，在设置的参考阈值电压上下应用迟滞，这个迟滞范围就是100mV。对于MAX9601EUP来说是可以通过外围电路进行设置选择迟滞电平的大小。

图4：滞回工作原理演示示意图

高速比较器的一个“通病”

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