运放与比较器的本质区别解析与比较
发布时间：2020-11-30
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
概述
虽然运算放大器和比较器在外观和图纸符号上非常相似，但它们之间存在一些区别。那么，我们如何在实际应用中进行区分呢？为了夯实大家的基础，让工程师们更上一层楼，今天我将通过图文详细分析它们的区别。
先来看一下它们的内部区别图：
根据内部图，可以看出运算放大器和比较器的主要差异在于输出电路。运算放大器采用双晶体管推挽输出，而比较器只使用一只晶体管，其中集电极连接到输出端，发射极接地。
此外，比较器需要外接一个从正电源端到输出端的上拉电阻，这个上拉电阻相当于晶体管的集电极电阻。
运算放大器可以用于线性放大电路（负反馈），也可以用于非线性信号电压比较（开环或正反馈）。
然而，电压比较器只能用于信号电压比较，不能用于线性放大电路（因为比较器没有频率补偿）。
两者都可以用于信号电压比较，但是比较器被设计成高速开关，具有更快的转换速率和更短的延时，比运算放大器更适合这方面的应用。
运算放大器
作为线性放大电路，我将不再详细介绍（如果有需要，我们可以单独讨论放大器）。在主板电路图中，它非常常见，并且通常用于稳压电路。通过使用负反馈电路，它与晶体管的配合相当于一个三端稳压器，但更加灵活。下面是示意图：
在许多情况下，我们需要知道两个信号中哪个更大，或者一个信号何时超过预设的电压（用于电压比较）。使用运算放大器可以很容易地构建一个简单电路来实现这个功能。当V+电压大于V-电压时，输出高电平；当V+电压小于V-电压时，输出低电平。如下图所示：
对于该电路的分析，2.5V通过电阻分压得到1V作为V-端输入。当总线电压正常产生1.2V时，输入到V+端。此时，V+电压高于V-电压，输出一个高电平给CPU电源管理芯片的EN开启脚。如果总线电压没有输出或输出不正常少于1V，此时V+电压低于V-电压，输出低电平。
电压比较器
当电压比较器的非反相输入端（V+）低于反相输入端（V-）时，晶体管导通，输出接地低电平；当V+高于V-时，晶体管截止，通过上拉电阻连接的电源输出高电平。如下图所示：
对于该电路的分析，上述比较器U8A在有VCC输出时经过分压电阻分压后，输入到非反相端（V+）。该电压高于5VSB经过分压后输入到反相端（V-）的电压，此时内部晶体管截止，通过上拉电阻与电源连接的引脚输出12V电平（同时，下方的比较器U8B的非反相输入端电压也高于反相输入端，内部晶体管也处于截止状态）。此时，N沟道场效应管Q37导通，输出VCC5V。同时，P沟道场效应管Q293截止。相反，当V-高于V+时，内部晶体管导通，上拉电源12V被拉低为低电平，N沟道场效应管Q37截止，同时P沟道场效应管Q293导通，输出5VSB。这就是5VDUAL产生电路的工作原理。
在实际应用中，电压比较器通常需要连接上拉电阻，而运算放大器则通常不需要。
运放和电压比较器的本质区别
闭环特性：运放大多工作在闭环状态，要求在闭环后不能自激。而电压比较器大多工作在开环状态，更注重速度。对于频率较低的情况，运放完全可以代替电压比较器（需要注意输出电平），但反过来，电压比较器大部分情况下不能当作运放使用。
优化方向：由于为了提高速度，电压比较器进行了相应的优化，但这种优化却减小了闭环稳定的范围。而运放专为闭环稳定范围进行了优化，因此降低了速度。所以，在相同价位档次下，最好让比较器和运放各自发挥其优势。虽然运放可以用作比较器，同样也不能排除比较器也可以用作运放，但为了使其闭环稳定，可能需要付出超过添加一个运放的代价。
换句话说，判断一个运放是作为比较器还是放大器，就要看电路的负反馈程度。因此，浅闭环的比较器有可能在工作时起到放大器的作用而不会自激。但是，一定要进行大量试验，以确保在产品的所有工作状态下都能保持稳定！这时，你就需要仔细核算成本/风险。
设计差异：运放和电压比较器在设计上非常相似。简单来说，比较器就是运放的开环应用，但比较器的设计针对电压门限比较，并要求比较门限精确，比较后的输出边沿上升或下降时间要短，输出符合TTL/CMOS电平或OC等要求，而不要求中间环节的准确度，同时驱动能力也不同。一般情况下，使用运放作为比较器，大多数情况下无法实现满幅输出，或者比较后的边沿时间过长，因此在设计中较少使用运放作为比较器是更好的选择。
比较器和运放虽然在电路图上的符号相同，但实际上它们之间存在着显著的区别，通常不能互换使用。以下是它们的区别：
翻转速度：比较器的翻转速度非常快，大约在纳秒级别，而运放的翻转速度一般在微秒级别（除了特殊的高速运放）。
反馈电路：运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈。尽管比较器也有同相和反相两个输入端，但由于其内部没有相位补偿电路，如果使用负反馈，电路将无法稳定工作。缺乏相位补偿电路是比较器比运放具有更快速度的主要原因之一。
输出结构：运放的输出级通常采用推挽电路，具有双极性输出。而大多数比较器的输出级为集电极开路结构，因此需要上拉电阻，具有单极性输出，容易与数字电路连接。
另外，比较器（如LM339和LM393）的输出是集电极开路（OC）结构，需要使用上拉电阻才能提供对外输出电流的能力。而运放的输出级是推挽结构，具有对称的拉电流和推电流能力。此外，为了加快响应速度，比较器很少使用中间级，并且没有内部的频率补偿电路。而运放则针对线性工作区需求添加了补偿电路。因此，比较器（如LM339和LM393）不适合用作运放。
在开关电源中，运放主要用于反馈电路、过流保护的采样放大等方面的应用。
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虽然运算放大器和比较器在外观和图纸符号上非常相似，但它们之间存在一些区别。那么，我们如何在实际应用中进行区分呢？为了夯实大家的基础，让工程师们更上一层楼，今天我将通过图文详细分析它们的区别。
