既生瑜何生亮？运放 vs比较器芯片

我们知道运放可以配置成比较器电路，但市面上还有一种比较器芯片，比如：LM311、LM393 等。这是为啥？为啥运放明明可以配置成比较器电路，还要生产专门的比较器芯片。今天我们来学习一下比较器芯片和运放电路的区别。

缺点一

运放芯片的第一个问题就是运放的输出电压很难做到轨到轨(Rail-to-Rail)，也就是说运放的输出很难达到正电源电压。

LM358 数据手册中的共模电压范围显示，其输出的最大电压为正电源电压减去 1.5：

共模电压

下面是运放芯片 LM358 内部电路的差分输入级（Input Stage）:

差分输入级

电压放大级(Voltage Amplifier Stage)：

电压放大级

输出级（Output Stage）是一个推挽电路：

输出级

运放内部电路中的这些三极管会产生一定的压降，因此输出电压不可能达到完全饱和，它总是和电源电压有一定的差距：

无法轨到轨

图中 +Rail 表示正轨或正电源电压；-Rail 表示负轨或负电源电压。黄色波形是输入波形，蓝色波形是输出波形。

请记住运放被设计用于在线性放大区域工作而不适合在轨到轨（正负电源）电源之间摆动输出。

相比之下，通用比较器芯片仍然具有类似的差分输入级：

差分输入级

比较器的输出为集电极开路 (Open Collector)输出和漏极开路（Open Drain）输出, 因此其输出完全可以达到轨到轨，也就是输出电压可以达到电源电压：

输出级

我们可以通过在比较器芯片外部加一个上拉电阻，然后将开漏输出引脚接到负电源的方式，将其输出驱动到完全饱和或截止：

完全饱和或截止

运放比较器电路

我们通过一个具体的电路看一下运放的输能否做到轨到轨（Rail-to-Rail）。

下图是一个典型的运放比较器电路：

运放比较器电路

两个10k 电阻构成分压器接到反相输入引脚，提供一个比较参考电压 5 伏。正弦信号输入到同相引脚。同相输入引脚我们输入一个以 5 伏为中心的正弦波，这会在输出引脚输出一个方波。

面包板上组装好的电路如下：

面包板上的运放比较器电路

波形如下：

运放比较器电路波形

紫色波形是接到同相输入的正弦波，青色是输出波形，黄色是正电源电压。

可以看到输出波形的峰值达不到正电源电压，我们用示波器光标测量功能测量其和正电源电压的差距是 1.43 伏，接近数据手册中的 1.5 伏：

遥不可及的梦

比较器芯片电路

下图是一个用比较器芯片 LM311 搭建的和上面的运放比较器电路功能相同的电路：

注意其输出需要接上拉电阻。

在面包板上组装完成的 LM311 比较器电路：

面包板上的比较器芯片电路

LM311 比较器电路波形：

比较器芯片 LM311 波形

可以看到输出电压已基本和正电源电压重合了，做到了轨到轨（Rail-to-Rail)。

缺点二

运放或运放比较器电路的第二个缺点就是其输出响应很慢。

我们看运放芯片内部有一个小小的补偿电容：

运放芯片 LM358 内部的补偿电容

而比较器芯片内部则没有这颗电容：

比较器芯片 LM311 内部没有补偿电容

运放内部的补偿电容导致了运放的输出响应相对通用比较器芯片而言有点慢。

下图中黄色波形是运放比较器电路的输出，青色波形是比较器芯片输出波形：

运放输出响应慢

可以看到比较器芯片输出可以达到 10 伏的正轨电压，比较器能够快速达到正轨电压，而运放受制于较低的压摆率响应速度相对而言有些慢。

我们放大波形看看:

输出响应时间比较

我们测量波形的上升时间，即波形从10% 上升到 90% 所需的时间。 可以看到比较器以 4.76 微秒的速度快速上升。 受限于较低其压摆率，运放的上升时间达到了 28 微妙。

傻人有傻福

我们通过另一个例子来体会一下专用比较器芯片的快速响应速度。

运放比较器电路

下面是一个运放比较器电路：

运放比较器电路

两个 10k 的电阻构成的分压器为同相引脚提供 2.5 伏的比较参考电压。可调电阻接到反相引脚，其可调电压范围为 0~5 伏：

当 2 脚电压 > 2.5 伏时，输出为 GND, LED 点亮；

当 2 脚电压 < 2.5 伏时，输出为 +5伏, LED 熄灭。

面包板上组装好的电路如下：

面包板上组装好的运放比较器电路

来回旋转可调电阻，可以反复点亮或熄灭 LED。

探头接在运放输出引脚（1脚）上，时基为 2ms ， LED 由亮到灭时波形截图如下：

比较器电路波形

看上去一切正常，很好。

比较器芯片电路

我们使用比较器芯片 LM311 搭建上面的比较电路，电路图如下：

比较器芯片 L:M311 电路

面包板上组装好的电路如下：

面包板上组装好的电路

来回旋转可调电阻，可以反复点亮或熄灭 LED。

我们把示波器探头放到比较器芯片输出引脚 7 上，看看波形。触发方式设置为正常 ， 这样只有发生触发时波形才会刷新，否则波形不动。我们将时基调整到 2ms 时， 旋转电位计，LED 由亮到灭时截取的波形如下：

输出波形有毛刺

可以看到 LED 由亮到灭时波形有很多毛刺（或者振荡）。

将波形放大看看：

输出波形有振荡

为啥会产生这些振荡？

要知道这个世界上没有完美的信号，信号上总是多多少少有一些噪音。电位计输出的电压不是稳定的它有一定的噪音，在调节电压接近同相引脚的参考电压时，这些上下抖动的噪音会导致比较器输出抖动。不要忘了运放（比较器也是一个运放）是对两个输入引脚的压差非常敏感的，只要这两者之间的压差比零大一点，哪怕是非常小，也会被放大反应到输出引脚上。

我画了一个简单的图来说明这个问题：

输入信号有噪音，导致输出振荡

可以看到输入信号在接近参考电压 2.5 伏时，其上面的噪音会在 2.5 伏上下抖动，导致输出也跟着抖动。

问题的解决很简单，把比较器配置成施密特触发器就可以了，具体可以参考我的另一篇文章：运放教程2-正反馈电路。 这里我们在输出引脚和同相引脚之间加一个10k的电阻即可。

加上正反馈电阻后的波形截图：

可以看到波形干净利落，没有任何杂波。

前面运放组成的比较器电路反而没有这个问题，那是因为运放的输出响应时间相对于专用比较器芯片来说太慢了，它没能捕捉到输入信号上的噪音，这也算傻人有傻福吧。比较器芯片能够快速捕捉输入信号的变化，虽然在输入信号有噪音时这可能会导致一些问题，但是对于一些要求快速响应的信号你就必须得使用专用比较器芯片了。

LM311 的响应时间可达 165 纳秒:

165 纳秒

总结

今天我们学习了比较芯片，这道了比较器芯片相对运放芯片来说至少具有下面两个优点：

输出可以做到轨到轨快速的响应时间

主流音频运放芯片分析

运算放大器（简称“运放”）是运用得非常广泛的一种线性集成电路，而且种类繁多，在运用方面不但可对微弱信号进行放大，还可做为反相、电压跟随器，可对电信号做加减法运算，所以被称为运算放大器。不但其他地方应用广泛，在音响方面也使用得最多。例如前级放大、缓冲，耳机放大器除了有部分使用分立元件，电子管外，绝大部分使用的还是集成运算放大器。而有时候还会用到稳压电路上，制作高精度的稳压滤波电路。

各种运放由于其内部结构的不同，产生的失真成分也不同，所以音色特点也有一定的区别。本来我们追求的是高保真，运放应该是失真最低，能真实还原音乐，没有个性的最好。但是由于要配合其他音响部件如数码音源、后级功放管等，如果偏干、偏冷则可搭配音色细腻温暖型的运放，而太过阴柔、偏软的则可搭配音色较冷艳、亮丽的运放，做到与整机配合，取长补短的最佳效果。所以说，并不是选择越贵的运放得到的效果就一定越好，搭配很重要，达到听感上最好才算达到目的。

如果是应用在低电压的模拟滤波电路中，还要选择对低电压工作性能良好的运放种类。市面上的运放种类不下五六百种，GBW带宽在5M以上的也有三百多种，最高的已达 300MHZ，转换速率在5V/us以上的也不下几百种，最高达3000V/us。

低档运放JRC4558，这种运放是低档机器使用得最多的。现在被认为超级烂，因为它的声音过于明亮，毛刺感强，所以比起其他的音响用运放来说是最差劲的一种。不过它在我国暂时应用得还是比较多的，很多的四、五百元的功放还是选择使用它，因为考虑到成本问题和实际能出的效果，没必要选择质量超过5532以上的运放。对于一些电脑有源音箱来说，它的应付能力还是绰绰有余的。

5532，如果有谁还没有听说过它名字的话，那就还未称得上是音响爱好者。这个当年有运放皇之称的NE5532，与LM833、 LF353、CA3240一起是老牌四大名运放，不过现在只有5532应用得最多。5532现在主要分台湾、美国和PHILIPS生产的，日本也有。 最好的是带大S标志的美国产品，市面上要正宗的要卖8元以上，自从SIGNE被PHILIPS收购后，生产的5532商标使用的都是PHILIPS 商标，质量和原品相当，只需4－5元。而台湾生产的质量就稍微差一些，价格也最低，两三块便可以买到了。

NE5532的封装和4558一样，都是DIP8脚双运放，5532的内部为JFET（结型场效应管结构）,声音特点总体来说属于温暖细腻型，驱动力强，但高音略显毛糙，低音偏肥。以前不少人认为它有少许的“胆味”，不过现在比它更有胆味的已有不少，相对来说就显得不是那么突出了。5532的电压适应范围非常宽，从正负3V至正负20V都能正常工作。它虽然是一个比较旧的运放型号，但现在仍被认为是性价比最高的音响用运放。 是属于平民化的一种运放，被许多中低档的功放采用。不过现在有太多的假冒NE5532，或非音频用的工业用品，由于5532的引脚功能和4558的相同，所以有些不良商家还把4558擦掉字母后印上5532字样充当5532，一般外观粗糙，印字易擦掉，有少许经验的人也可以辨别。据说有8mA的电流温热才是正宗的音频用5532。

NE5532还有两位兄弟NE5534和NE5535。5534是单运放，由于它分开了单运放，没有了双运放之间的相互影响，所以音色不但柔和、温暖和细腻，而且有较好的音乐味。它的电压适应范围也很宽，低到正负5V的电压也能保持良好的工作状态。由于以前著名的美国BGW-150功放采用5534作电压激励时，特意让正电源电压高出0.7V，迫使其输出管工作于更完美的甲类状态，使得音质进一步改善，所以现在一般都认为如果让正电源高出0.7V音质会更好。5534的价格和5532相当。

而NE5535是5532的升级产品，其特点是内电路更加简洁，且输出级采用全互补结构。转换速率比5532更高。不过有个缺点就是噪声较大，频带不够宽，低电压工作时，性能不够好，所以用于模拟滤波时效果不如5532理想。但在工作电压大于或等于15V时用作线形放大电路，音乐味会比5532好一些，所以其价格也比5532要贵两三元，其引脚功能和5532一样。

双运放AD827：这枚是AD公司的较新产品，它原本是为视频电路设计的，所以它的增益带宽达50MHZ，SR达到300V/us，它与EL2244一样都是目前市场上电压反馈型双运放的顶级货，一般的运放难望其项背。其高频晶莹剔透，低频弹跳感优越，其性能指标 与实际听感全面胜过其他很多同类产品，音质被一些人形容为无懈可击。且在正负5V的供电下仍有优异的性能。但其价格也稍微昂贵，30多元。脚位功能和5532相同。

双运放OP249：该运放是美国PMI公司的产品，厂家声称是用以取代OP215、LT1057等运放的，LT1057是属于动态大，解析力高，音色冷艳清丽的一种，搭配东芝的暖色名管就很合适。而OP249则和它不同，其输入级采用JFET，主要特点是显中性，无什么个性，声音平衡、自然而准确，所以体现了HIFI的真谛。塑封的才15元，陶瓷封装30多元，具有较高的性价比。不过要是对音色的喜好有偏重的朋友可能不大喜欢。

双运放OP275、OP285：它们也是PMI公司的产品，内部电路采用双级型与JFET型混合结构。其音色很有个性，低噪声，声音轮廓鲜明，解析力高，声音柔顺，中频具有胆机柔美润泽的特点，人声亲近。价格适中，而且性能稳定。适合用来打摩声音单薄、毛糙的CD、解码或放大器。它们的封装形式和引脚功能也和5532一样。OP275现在的市面价格为10元、OP285 15元。

顶级运放OPA627：BB公司的OPA627是目前为止最高档的运放，也是采用场效应管输入方式，音色温暖迷人，但其价格简直吓人，用到这么昂贵的运放，性能上是否能达到这个价格也见仁见智，不过听过OPA627的发烧友都一致认为AD827、LT1057等根本无法与之比拟。

胆味运放OPA 604与OPA 2604：这两种运放都是Burr Brown公司的产品，OPA604为单运放，OPA2604为双运放。它们都是专为音频而设计的专用运放，音色醇厚、圆润，中性偏暖、胆味甚浓，是被誉为最有电子管音色的运算放大器。当年的价格也不低，但还是被许多音响发烧友选为摩机升级机器的对象。现在这两种运放的价格都已较为合理，OPA604为25元，OPA2604要40多元，发烧友用来摩机是不错的选择。

以上介绍的几种是被音响发烧友们炒得火热的，其实还有大量未被大家熟知的上乘佳品可供选择，大家不必局限于以上几种。一种运放型号的封装也可分为金封、陶封和塑封，一般来说金封、陶封的质量较好，塑封的品质稍差。由于利益的驱使，什么都有假货，运放也不例外，市面上的假货不少，如果想便宜捡好货，那就要慧眼识珠了，不太在行的在购买时就要注意，宁可多花一块几毛，也要到信誉较好的商家去买。

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