電壓比較器(以下簡稱比較器)是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的電壓比較器。

什么是電壓比較器

簡單地說， 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小(也有兩個數字電壓比較的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(這是個單電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖1(b)所示。在時間0～t1時，VA>VB;在t1～t2時，VB>VA;在t2～t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和輸出);VB>VA時，Vout輸出低電平。根據輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。

如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關。

圖2(a)是雙電源(正負電源)供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VB>VA時，Vout輸出飽和負電壓

如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱為參考電壓、基準電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖3(b)所示，它一般用作過零檢測。

比較器的工作原理

比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。由于比較器電路應用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。

圖4(a)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關系式為：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0(相當于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當于R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖4(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大。從圖4中可以看出，比較器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。

同相放大器電路如圖5所示。如果圖5中RF=∞，R1=0時，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當于圖3(b)中的VA。

比較器與運放的差別

運放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應速度更快)。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結構，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅動不同電源電壓的負載，應用上更加靈活。但也有一些比較器為互補輸出，無需上拉電阻。這里順便要指出的是，比較器電路本身也有技術指標要求，如精度、響應速度、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數與運放的參數相同。在要求不高時可采用通用運放來作比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密比較器電路。

由于比較器與運放的內部結構基本相同，其大部分參數(電特性參數)與運放的參數項基本一樣(如輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流等)。

電壓比較器的應用

零交比較器

零交比較器的功能是將輸入信號與零電位進行比較，測定輸入電壓是大于零還是小于零，用輸出電壓是高或低電平給出判斷的結果。圖5.4-63示出了零交比較器的電路。

圖5.4-63的零交比較器，是同相端接地，反相端接輸入信號，相對零電平進行比較。對圖5.4-63的零交比較器，又稱為反相零交比較器，若將圖5.4-63中輸入信號加在同相端，使反相接地，就得到了同相零比較器。

實際上，由于運放輸入失調電壓和失調電流的影響，使輸入信號U1在稍許偏離零的電壓上發(fā)生切換。如圖5.4-62所示。所以在實際應用中，使用調零電路對失調進行補償，才能使信號在0V時比較器切換。調零電路吸能在一定溫度下，對失調進行補償。對由于溫漂引起的失調還會使切換點發(fā)生稍許偏移。有補償失調的零交比較器和用零交比較器用作整形電路的波形圖。

任意電平比較器

1、雙端輸入式電壓比較器

圖5.4-65為雙端輸入式比較器。將基準電壓UR加在運放的同相端，比較信號U4加在反相端。實現電壓比較。當UR為零時，就成為零交比較器。其工作原理與零交比較器相同，只是切換點電壓不是0V而是基準電壓UR的值。當U1大于UM時，比較器輸出作出0的響應。

2、單端輸入式電壓比較器

單端輸入式比較器是將輸入信號和基準信號都加在比較器的反相端，使電路工作在反相輸入狀態(tài)，輸入信號將不引進共模電壓，因此，特別適用于基準電平超過運放共模電壓范圍的情況。圖5.4-66示出了單端輸入式比較器的電路。

由式可知，改變R2/R1的比值，或者改變基準電壓UR，都能方便地調節(jié)門限電位。

該電路缺點是輸入阻抗低，當R2/R1的值比較大時，失調電壓U10及其溫漂對電路的影響也變大。

電平滯后比較器

圖5.4-67是反相型滯后比較器。由圖中可以看出，引進正反饋后，使電路產生兩個門限電壓UTH和-UTH，它們是使比較器翻轉的切換點。UTH和-UTH的差值△UTH是門限寬度，即是滯后電壓。忽略運放的失調，用疊加原理可得雙向翻轉閥值為

由上式可見，改變UR可調節(jié)閥值而不影響滯后電壓，就使設計者有了根據預計的最大噪聲電壓的值而選較比其大些的門限寬度△UTH，使電路具有一個等于門限寬度的內建抗噪聲度。每當比較器切換， 小于門限寬度的干擾將不會引起再切換，不會造成錯誤的動作。這一優(yōu)越的特性，使有滯后特性的比較器成為用途最廣、適應性最強的一種電路。

圖5.4-67中的二極管VD和穩(wěn)壓管VZ是后級電路電平需要所加的反饋限幅元件，C1是加速電容，超加速轉換過程，減小比較器響應時間的作用。為了得到最小的失調誤差，應使R1=R2||R1。

圖5.4-67B示出了這種電平滯后比較器的傳輸特性圖，由圖中看出具有下行遲滯特性，簡稱下行特性，又稱下行遲滯比較器。

如將圖5.4-67的U1和UR對換，經上述同樣的分析，則遲滯特性將由下行特性變成上行特性，又稱上行遲滯特性由下行特性變成上行特性，又稱上行遲滯比較器。

窗口電壓比較器

窗口電壓比較器如圖5.4-68所示。圖中比較器A1的同相端設置在參考上限電平UH=UL+KUZ上，比較器A2的反相端設置在參考下限電平UL上。同一輸入信號加在兩個比較器上，與兩個參考電平同時比較，可以看出，只有當UL﹤U1﹤UH時，兩個比較器輸出均是高電平，把兩個比較器輸出均是高電平，把兩個比較器輸出“與”起來，輸出UO也是邏輯電平1。這種情況只有在UL﹤U1﹤UH范圍內才會發(fā)生。這個電路產生了一個窗口范圍，它用邏輯1輸出來表明輸入信號落在UL和UH所予定的范圍之中。當U1﹤UL或U1﹥UH時，輸出邏輯電平是零，說明輸入信號落在窗口之外。所以窗口電壓比較器廣泛用于分選和自動控制系統中。

電壓比較器是一種常用的電子元件，其主要作用是用于比較兩個信號的電壓大小，并輸出相應的比較結果。

在電路設計中，電壓比較器有著廣泛的應用，比如在模擬信號處理、控制系統等方面都扮演著重要的角色。

1.電壓比較器的工作原理和功能

電壓比較器通常由若干運算放大器、反饋電阻、輸入電阻等元件組成，可以實現對兩路信號的比較操作。

其基本工作原理是將輸入信號與參考電平進行比較，然后輸出一個高低電平結果。當輸入電壓大于參考電平時，輸出為高電平;反之則為低電平。

2.電壓比較器的特點

電壓比較器具有下面幾個特點：高精度、靈敏度高、響應速度快、功耗低等。

此外，還有一些器件具備超過輸入電壓范圍的保護功能，能有效防止電路損壞。

3.電壓比較器的應用

電壓比較器廣泛應用于實際電路設計中，比如在模擬信號處理、數字電路、自動控制等領域都有對應的應用場景。

舉例來說，在溫度傳感器測量中，我們可以將傳感器輸出的電壓數據與預設的基準電壓進行比較，計算出相應的溫度值。