高速混合信號(hào)設(shè)計(jì)中的比較器傳播延遲
當(dāng)我很久以前作為一名學(xué)生開(kāi)始我的電子學(xué)深度之旅時(shí)，我想知道如何在日常電子設(shè)備中構(gòu)建如此多有趣和重要的功能。輸入信號(hào)和電壓在我的頭腦中是新鮮的，我更擔(dān)心電源而不是反相輸入。直到后來(lái)我開(kāi)始完全理解運(yùn)算放大器的多功能性以及它們?nèi)绾斡糜跇?gòu)建比較器。
比較器是PCB設(shè)計(jì)中的重要組件，沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。雖然它們采用IC封裝，但也可以通過(guò)放大器構(gòu)建各種比較器，這些電路中的傳播延遲在高速設(shè)計(jì)中非常重要，了解不同的PCB設(shè)計(jì)問(wèn)題如何影響比較器傳播延遲非常重要。
比較器與運(yùn)算放大器
比較器背后的基本思想是確定輸入偏移電壓是高于還是低于參考電壓。當(dāng)參考電壓保持在恒定的DC電平時(shí)，比較器可以用作一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入模擬信號(hào)上升到閾值電壓以上時(shí)，比較器輸出HIGH。
比較器實(shí)際上與運(yùn)算放大器有關(guān)。簡(jiǎn)單的比較器可以通過(guò)采用開(kāi)環(huán)配置的運(yùn)算放大器構(gòu)建。開(kāi)環(huán)將放大器的整體增益推至無(wú)窮大。這使輸出在“高”狀態(tài)下快速飽和，從而允許將AC信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波。非線性飽和也有助于抑制比較器輸入端的電壓波動(dòng)。
就像任何基于晶體管的邏輯器件一樣，存在與輸出信號(hào)的上升時(shí)間相關(guān)的一些傳播延遲（不要與傳輸延遲相混淆）。除非按照嚴(yán)格的規(guī)格制造比較器，否則制造商不會(huì)對(duì)傳播延遲值提供嚴(yán)格的規(guī)范。流行的比較器IC將提供平均輸出值和變化范圍，可以從平均值大到30％。
PCB上的SMD元件
盡管存在自然電壓波動(dòng)抑制，但與IC的其他標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)相比，大多數(shù)比較器的傳播延遲范圍很大。運(yùn)算放大器比較器的長(zhǎng)上升時(shí)間將輸入上模擬信號(hào)的頻率上限設(shè)置為大約低MHz范圍。但是，不基于無(wú)限增益放大的新型比較器可以在100 MHz以上的頻率下正常工作。
這些較新的比較器沒(méi)有運(yùn)算放大器中的內(nèi)部米勒電容，由于比較器輸入端的等效RC時(shí)間常數(shù)較低，因此可確保上升時(shí)間非?？臁Ｈ狈逃醒a(bǔ)償會(huì)使比較器具有寬輸入帶寬。這也轉(zhuǎn)化為減少的傳播延遲，使得這些比較器優(yōu)于基于放大器的比較器，在更高速度和更高頻率的電路中。
影響比較器傳播延遲的PCB設(shè)計(jì)因素：
影響比較器傳播延遲的主要因素是輸出電容和雜散電容。輸出端的電阻負(fù)載也會(huì)影響比較器的開(kāi)關(guān)速度。優(yōu)化這些參數(shù)允許設(shè)計(jì)人員選擇傳播延遲和抗噪聲之間的佳權(quán)衡。
寄生電容已經(jīng)在高速PCB中產(chǎn)生信號(hào)問(wèn)題，但它在比較器中產(chǎn)生了更多問(wèn)題。從制造商到制造商，比較器的輸出負(fù)載已經(jīng)趨于不一致。任何影響比較器輸出的寄生電容都會(huì)改變上升和下降時(shí)間，從而改變傳播延遲。通常，傳播延遲與輸出電容線性相關(guān); 增加的電容會(huì)增加傳播延遲。
因此，應(yīng)采取措施減少高速PCB中使用的比較器附近的雜散電容。一些選項(xiàng)包括減小比較器引腳的焊盤(pán)尺寸，使用串聯(lián)電容來(lái)補(bǔ)償異常高的電容，并遵守重要的走線間距規(guī)則。
PCB上的黑色電容器
使用連接到正電源電壓的上拉電阻可以輕松修改比較器的輸出，此功能允許設(shè)計(jì)人員將比較器與各種邏輯系列連接，通過(guò)使用較小的上拉電阻可以改善傳播延遲。較小的上拉電阻也可提高抗噪性，但也會(huì)增加電流和功耗。
降低噪音敏感度
所有比較器都具有稱為滯后的質(zhì)量。如果您查看輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖，則數(shù)據(jù)點(diǎn)跟蹤的曲線不會(huì)遵循相同的曲線。當(dāng)輸入電壓從零增加時(shí)，輸出電壓飽和。隨著輸入電壓現(xiàn)在從飽和點(diǎn)降低，輸出電壓以不同的速率去飽和，輸入電壓的這種上下循環(huán)產(chǎn)生滯后回路。
雖然滯后通常在電子元件中被認(rèn)為是不合需要的，但它實(shí)際上對(duì)于比較器電路中的噪聲抑制是有用的，正反饋通常用于基于放大器的比較器，以提供驅(qū)動(dòng)它們達(dá)到飽和所需的高增益。正反饋環(huán)路增加了磁滯回線的大小，從而實(shí)現(xiàn)更好的噪聲抑制。
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