輸入共模電壓范圍（通常縮寫(xiě)為 V CM或 VICR）是一個(gè)在模擬世界中被廣泛認(rèn)可但在比較器世界中被誤解的術(shù)語(yǔ)。對(duì)于放大器，V CM定義 為施加到兩個(gè)輸入端的平均電壓。但是對(duì)于一個(gè)比較器來(lái)說(shuō)，它的含義就完全不同了。
比較器的正常操作意味著兩個(gè)輸入交叉，導(dǎo)致輸出發(fā)生變化。讓我們分析圖 1 所示的同相比較器配置，其瞬態(tài)行為如圖 2 所示。
圖 1：同相比較器配置
圖 2：同相比較器瞬態(tài)行為
在圖 2 中，如果同相端的電壓（橄欖綠）大于反相端的電壓（紅色），則輸出（綠色）為高電平。如果反相端電壓大于同相端電壓，則輸出為低電平。比較器的輸入 V CM是兩個(gè)輸入電壓相互交叉的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。仍確保正常工作的開(kāi)關(guān)點(diǎn)的電壓范圍稱(chēng)為比較器的輸入 V CM。
表 1 顯示了 LM393 的 V CM，其范圍從負(fù)電源 V– 到低于正電源 V+ 1.5 V 或 2 V，具體取決于器件的溫度。
范圍 | 測(cè)試條件 | 最小類(lèi)型 最大 | 單元 |
厘米_ | 共模范圍 | V S = 3 至 36 V | (V-) (V+) - 1.5 | 五 |
V S = 3 至 36 V，TA = -40°C 至 +85°C | (V-) (V+) - 2 | 五 |
表 1：來(lái)自 LM393 數(shù)據(jù)表表 6.7 電氣特性的行
如果我在室溫下使用 3.3 V 電源為該設(shè)備供電，則設(shè)備的輸入 V CM介于接地和 1.8 V 之間。如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)高于 1.8 V，則設(shè)備可能無(wú)法運(yùn)行。如果一個(gè)或兩個(gè)輸入違反V CM，可能會(huì)發(fā)生不正確的操作。
什么限制了輸入 V CM？
比較器的輸入級(jí)限制輸入V CM。讓我們首先看一下 TL331 數(shù)據(jù)表中的功能框圖（圖 4）。輸入級(jí)包括一個(gè)用于 P 通道、N 通道、P 通道 (PNP) 的差分對(duì)，其發(fā)射極連接到電流源。為了使差分對(duì)上的 PNP 晶體管導(dǎo)通，從發(fā)射極到基極 (V EB )需要有一個(gè)電壓降 （對(duì)于 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置，這將是基極到發(fā)射極 [ V BE ]）。
圖 3：TL331 功能框圖
電流源通常是一個(gè)電流鏡，如圖 5 所示。要使電流源工作，Q2 的發(fā)射極到集電極電壓需要超過(guò)最小正向有效電壓要求 (V EC (Sat) )。
圖 4：PNP 電流鏡
隨著比較器輸入電壓的增加，滿足差分對(duì)晶體管的 V EB導(dǎo)通和電流鏡晶體管的 V EC (Sat)的可用裕量越來(lái)越小。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，V EC開(kāi)始收縮，而 V EB仍然保持堅(jiān)挺。當(dāng) V EC (Sat)不超過(guò) Q2 時(shí)，電流鏡的電流產(chǎn)生能力顯著降低，這就是為什么一些比較器使 V CM上升到低于電源電壓的值的原因。其他具有 NPN 晶體管輸入級(jí)的器件指定的 V CM范圍從一個(gè)值到正電源。
為什么即使超過(guò)數(shù)據(jù)表上的輸入V CM設(shè)計(jì)也能工作
數(shù)據(jù)表上的V CM值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能。回顧圖 4 中的 TL331 示例，V BE和 V CE隨溫度波動(dòng)。
圖 6、7 和 8 顯示了 LM393 在與圖 1 類(lèi)似的同相配置中的性能。在這種情況下，電源電壓設(shè)置為 5V。100Hz、1Vpp、3.9V 的直流斜坡波形 (黃色）連接到同相端子，同時(shí)向反相端子施加 3.9V DC參考信號(hào)（紫色）。這是一個(gè)應(yīng)用示例，其中 3.9 V 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)違反了 V CM；使用此電源，符合標(biāo)準(zhǔn)的 V CM為 3 V 或更低。
在室溫下，比較器在超過(guò) 3.9 V 時(shí)工作并切換，如圖 6 所示。比較器在加熱時(shí)也工作，如圖 7 所示。當(dāng)我冷卻設(shè)備時(shí)，它開(kāi)始出現(xiàn)故障，因?yàn)檩敵觯ňG色）在圖 8 中表示。
圖 5：LM393 在 V CM之外的室溫性能
圖 6：LM393 在 V CM之外的高溫性能
圖 7：LM393 在 V CM之外的低溫性能
當(dāng)我降低輸入電壓以確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)在器件的VCM范圍內(nèi)時(shí)，同一器件在所有溫度范圍內(nèi)都能正常工作。斜坡波形現(xiàn)在處于 2 V 的較低 DC 偏移，參考為 2 V，確保開(kāi)關(guān)點(diǎn)保持在 V CM范圍內(nèi)。圖 9、10 和 11 顯示了 LM393 如何在整個(gè)溫度范圍內(nèi)正常工作。
圖 8：LM393 在 V CM內(nèi)的室溫性能
圖 9：LM393 在 V CM內(nèi)的高溫性能
圖 10：LM393 在 V CM內(nèi)的低溫性能
我從一個(gè)單元中獲取了所有這些范圍捕獲。如果我要測(cè)試另一個(gè) LM393 樣品，超出指定 V CM范圍的性能可能會(huì)有所不同。在室溫下，V CM上限可能與測(cè)試單位不同。這稱(chēng)為過(guò)程變化，其中性能可能會(huì)因批次變化或不均勻的制造程序而變化。
這種變化的最后一部分是電壓變化。不同的電源電壓下，零件的行為可能會(huì)有所不同。在圖 6、7 和 8 的設(shè)置中，如果電源電壓增加到最大允許的 36 V，且 V CM違規(guī)相同，則性能可能會(huì)有所不同。在使用比較器設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須將輸入保持在 V CM范圍內(nèi)以避免這些問(wèn)題。
結(jié)論
當(dāng)任一輸入超出范圍時(shí)，輸入 V CM會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。超出此范圍會(huì)導(dǎo)致比較器輸入級(jí)的偏置出現(xiàn)問(wèn)題。請(qǐng)記住，數(shù)據(jù)表規(guī)范之外的一個(gè)或兩個(gè)輸入違反了 V CM。即使系統(tǒng)在違反 V CM時(shí)工作，它也可能在不同的電源電壓、不同的工作溫度或更換集成電路時(shí)無(wú)法工作。
在創(chuàng)建使用比較器的系統(tǒng)時(shí)，將每個(gè)輸入信號(hào)保持在輸入 V CM的數(shù)據(jù)表規(guī)范內(nèi)，以保持 PVT 的功能。
