为什么比较器的偏置电压通常比运算放大器高？

我需要将信号与恒定电压进行比较；信号范围为0至30mV，在250µV的差值下，我需要50ns的响应时间。该信号是压摆率在几mV / µs范围内的三角波。

查看TI提供的比较器时，它们的起始电压为750µV，而10ns的比较器的起始电压为3000µV。

但是，查看运算放大器列表时，这些放大器的起始电压为1µV失调电压，而100MHz放大器的起始电压为100µV。

强烈建议使用比较器而不是运算放大器来比较信号，因此，我看到的唯一选择是使用精密的高速运算放大器来预放大信号，然后使用比较器。但是，这听起来是错误的。如果有可能，那么为什么芯片制造商不提供这种单片解决方案？

很难获得具有很小差异的高速。

请注意，比较器不仅具有比运算放大器更高的输入失调电压，而且具有更高的有效噪声，以使其成为宽带野兽来获得较高的速度。

奥利弗·柯林斯（Oliver Collins）几十年前发表的一篇论文表明，如果在快速比较器之前使用一个或多个低噪声，低增益运算放大器级，并且在输出端均进行单极点滤波，则可获得更好的结果，即更少的时间抖动。 ，以逐步增加转换速率。对于任何给定的输入压摆率和最终比较器，都有最佳的级数，增益分布和RC时间常数的选择。

这意味着初始运算放大器不用作比较器，而用作斜率放大器，因此，它们不需要最终比较器所需的输出压摆率或GBW乘积。

此处显示了一个两级斜率放大器的示例。没有给出值，因为最佳值取决于输入压摆率。但是，与仅使用输出比较器相比，几乎任何增益配置都将得到改善。例如，如果您使用10的增益，然后使用100的增益，那将是开始实验的非常合理的地方。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

显然，放大器将花费大量时间处于饱和状态。调整RC滤波器大小的关键是选择一个时间常数，以使放大器以最快的输入压摆率从饱和状态到达中点所花费的时间乘以所选择的RC两倍。时间常数沿放大器链明显减少。

RC显示为运算放大器之后的真实滤波器，而不是在反馈增益电阻上放置的C。这是因为该滤波器将噪声的高频衰减继续以6dB / octave的频率衰减到任意高频，而当频率达到单位增益时，反馈环路中的电容器将停止滤波。

请注意，使用RC滤波器会增加输入超过阈值与检测到该阈值的输出之间的绝对时间延迟。如果要最小化此延迟，则应省略RC。但是，RC提供的噪声过滤使您可以更好地重复从输入到输出的延迟，这表现为较低的抖动。

只是输入运算放大器需要在噪声和失调电压方面具有高性能，所有后续放大器的规格都可以通过其增益来放宽。相反，第一个放大器不需要与随后的放大器一样高的压摆率或GBW。

没有在商业上提供这种结构的原因是，对性能的要求极低，并且最佳级数取决于输入压摆率和所需的规格，因此市场规模很小，支离破碎，不值得追。当您需要这种性能时，最好从可以从商业上获得的功能块中构建它。

这是论文的开头，在1996年5月的IEEE Transactions on Communications，第44卷第5期，从第601页开始，以及一个汇总表，显示了更改斜率放大级数和增益后所获得的性能阶段的分布。从表3中可以看到，对于需要1e6斜率放大的特定情况，尽管性能确实在3个阶段以上不断提高，但大部分改善只发生在3个阶段。

那些具有极低失调的运算放大器（例如TLC2652）对于您想要的带宽（大约2 MHz）而言太低了，因此，实际上，您需要将苹果与苹果进行比较。另外，该器件的数据手册中未指定输入失调电压如何随共模输入电压而变化。对于比较器而言，期望有较大的共模偏移，并且通常在理想信号条件下指定运算放大器的偏移电压。

另一个事实是，大多数比较器电路都使用磁滞，并且由于来自输出的正反馈取决于电源轨，因此它远远超过了任何出色的失调电压数字。

这是您进行比较的主要问题。

如果在选择Vos作为滤波器参数后向下查看TI列表，则第一个带宽为100 MHz或更高的运算放大器就是OPA625。您期望250 uV在50 ns内产生一个完整的摆幅，这意味着100 MHz的AC增益必须为5伏/ 250 uV = 20,000或86 dB。嗯，OPA625在100 MHz时的开环增益低于0 dB。

这意味着您的比较还是有缺陷的。进行比较时，您需要保持现实。100 MHz运算放大器比比较器要差几十年，该比较器可以在50 ns内切换其输出，而差分输入电压变化为250 uV。

让我们设计该电路。您需要50纳秒的响应，因此1 / 50nS或20MHz带宽是我们的起始带宽。

什么噪音地板？为了降低假触发的发生率，噪声功率必须比信号噪声弱10dB（产生0.1％的误码）。我们的总集成噪声需要为250uV / 10dB或250uV / 3.16或80微伏RMS。在20MHz带宽下。

为了找到噪声密度（以及允许的噪声），我们将80uV除以sqrt（bW）或80u / sqrt（20,000,000）或80u / 4,500或18 nanoVolts / rtHz。当1Kohm为4nanoVolts / rtHz时，我们可以使用20,000 ohm的Rnoise值。

我建议使用具有3个差分增益级的RCA / Harris CA3011宽带放大器。数据表说它将（通常）限制在600微伏输入，并且限制/方波输出肯定适合驱动快速比较器。数据表说，噪声系数为4.5MHz时为9dB，给定50欧姆的输入步进（谐振器PI）为1：2。

现在，关于不确定的失调电压.....