您的MCU需要模拟比较器吗？

已创建：June 22, 2021
已更新：July 1, 2024

这种工业计算机可以从一个集成了模拟比较器的MCU中受益。

我记得我在大学电子课上用LM358运算放大器构建了我的第一个模拟比较器。这样简单的电路直到你开始为客户设计进入真实系统时，才似乎有实际用途。用正反馈在运算放大器电路中构建模拟比较器很容易，但你总会在电路板上占用一些空间，用于放置运算放大器IC和反馈回路中的额外组件。

那么，将模拟比较器和你的MCU一起工作呢？你的MCU提供了大量集成的功能和I/O，而接受比较器输出到你的MCU的一个选项是使用GPIO之一。更好的选择是找到一个带有集成比较器电路的MCU，这将消除外部运算放大器电路或比较器IC的需要。以下是这些电路在你的设计中如何工作，以及一些包含此功能的流行MCU。

什么是模拟比较器？

模拟比较器基本上是一个1位模拟到数字转换器。一旦比较器的输入电压超过某个阈值，设备将在其低和高电压值之间切换状态。模拟比较器可以是反相或非反相设备。在非反相设备上，输入信号的上升沿将触发比较器输出从其低电压输出状态切换到高电压输出状态，反之亦然。对于反相比较器，行为是相反的。

在运算放大器模拟比较器电路中，通常使用正反馈来确保一旦输入电压切换到外部参考电压以上，输出就会饱和。换句话说，运算放大器将在输入信号的上升或下降沿上摆动到极限电压。这是创建一个在两个电压级别饱和的2状态输出的简单方法，同时也提供了一些对低级噪声的免疫。

带有和不带有迟滞的模拟比较器输出电压。

为了提供低级噪声免疫，模拟比较器电路可以具有一些迟滞，噪声裕度将取决于迟滞窗口的大小。上面显示了由于输入三角波导致的切换的迟滞效果。如果输入信号有一些变化或噪声，在迟滞窗口内的任何变化都不会导致切换。在一个具有多位分辨率的ADC中，情况不会这样；量化级别之间较小的电压差异保持

在运算放大器电路中，迟滞窗口的大小由反馈回路中的总电阻与参考电压和非反相输入之间的电阻的比率决定。通过设置这两个值，可以根据特定应用和噪声裕度调整比较器的迟滞窗口。这就是集成了模拟比较器的MCU真正发光的地方，因为它不需要这些外部电阻来设置迟滞窗口或阈值电压的大小。

在您的MCU中使用模拟比较器的优势

直接集成到您的MCU中的模拟比较器提供了许多优势，相比于使用外部运算放大器电路和ADC通道将比较器与您的MCU集成的其他方法。

简化切换。 如果您只需要检测2个电压状态之间的差异，集成模拟比较器是比使用外部运算放大器电路和ADC通道更好的选择。您不需要在固件中编程一些数值阈值和转换来估计输入电压何时真正饱和。
可编程迟滞。 迟滞窗口的大小可以在MCU的固件中编程，或者可以在操作期间动态设置。如果您愿意，您可以将迟滞窗口设置得比GPIO输入的噪声裕度更宽，为检测切换事件提供一个非常稳健的电路。
更多外部噪声免疫。 运算放大器输出和MCU输入之间的馈线创建了另一个噪声可以注入输入的点，这可能会在MCU的ADC/GPIO中创建不准确的读数。通过将模拟比较器集成到MCU中，您已经消除了噪声可以进入系统的这个额外点。
与可比输入相比的更少组件。 当您使用集成了模拟比较器的MCU时，您可以减少BOM成本，而不需要在MCU中使用过多的输入。
可编程传播延迟。 模拟比较器中的传播延迟定义为输入信号跨越切换阈值的时刻与输出状态开始变化的时刻之间的时间。一些集成了比较器的MCU允许编程这个量。通过增加传播延迟，MCU在切换过程中将消耗更少的功率。

带有集成模拟比较器的热门MCU

如今，您会在市场上找到许多顶级制造商的MCU。以下是一些包括集成模拟比较器功能以及一系列其他接口的热门MCU：

NXP Semiconductors, S08PB

ON Semiconductor的S08PB MCU是一个较小的8位设备，适用于简单的嵌入式计算应用。这款特定设备包括两个模拟比较器，外设较少，并且相比许多其他热门MCU采用了更小的封装，通过消除不需要的外设来简化模拟系统。一些对模拟系统有用的功能包括集成的运算放大器、高精度RTC计数器、两个弹性定时器调制器和12通道ADC（12位分辨率）。

NXP半导体的MC9S08PB8MTG MCU的方框图。来自MC9S08PB8MTG数据手册。

意法半导体，STM32系列

意法半导体的STM32系列是在需要适度处理能力和高总线宽度的嵌入式产品中使用最广泛的MCU系列之一。这些设备的操作频率高达72 MHz（Arm Cortex-M4核心），具有32位总线宽度。它们还具有高分辨率ADC（12位）和一系列数字接口（CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB）以及高I/O计数。