電壓比較器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)比較器)是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)量技術(shù)，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(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過(guò)零檢測(cè)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(jiǎn)單地說(shuō)， 電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小(也有兩個(gè)數(shù)字電壓比較的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個(gè)輸出端Vout(輸出電平信號(hào))。另外有電源V+及地(這是個(gè)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(shí)間0～t1時(shí)，VA>VB;在t1～t2時(shí)，VB>VA;在t2～t3時(shí)，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時(shí)，Vout輸出高電平(飽和輸出);VB>VA時(shí)，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個(gè)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(guān)。

圖2(a)是雙電源(正負(fù)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(shí)，Vout輸出飽和負(fù)電壓

如果輸入電壓VA與某一個(gè)固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱(chēng)為參考電壓、基準(zhǔn)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(guò)零檢測(cè)。

比較器的工作原理

比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)門(mén)的比較器集成電路。

圖4(a)由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過(guò)輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個(gè)電阻的關(guān)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(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當(dāng)于R3、RF開(kāi)路)時(shí)，Vout=∞。增益成為無(wú)窮大，其電路圖就形成圖4(b)的樣子，差分放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無(wú)窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無(wú)窮大。從圖4中可以看出，比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開(kāi)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(shí)，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當(dāng)于圖3(b)中的VA。

比較器與運(yùn)放的差別

運(yùn)放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益更高，輸入失調(diào)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(yīng)速度更快)。另外，比較器的輸出級(jí)常用集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個(gè)上拉電阻或者直接驅(qū)動(dòng)不同電源電壓的負(fù)載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些比較器為互補(bǔ)輸出，無(wú)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(shù)指標(biāo)要求，如精度、響應(yīng)速度、傳播延遲時(shí)間、靈敏度等，大部分參數(shù)與運(yùn)放的參數(shù)相同。在要求不高時(shí)可采用通用運(yùn)放來(lái)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(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，其大部分參數(shù)(電特性參數(shù))與運(yùn)放的參數(shù)項(xiàng)基本一樣(如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等)。

電壓比較器的應(yīng)用

零交比較器

零交比較器的功能是將輸入信號(hào)與零電位進(jìn)行比較，測(cè)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(jié)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(hào)，相對(duì)零電平進(jìn)行比較。對(duì)圖5.4-63的零交比較器，又稱(chēng)為反相零交比較器，若將圖5.4-63中輸入信號(hào)加在同相端，使反相接地，就得到了同相零比較器。

實(shí)際上，由于運(yùn)放輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響，使輸入信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中，使用調(diào)零電路對(duì)失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償，才能使信號(hào)在0V時(shí)比較器切換。調(diào)零電路吸能在一定溫度下，對(duì)失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)由于溫漂引起的失調(diào)還會(huì)使切換點(diǎn)發(fā)生稍許偏移。有補(bǔ)償失調(diào)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(zhǔn)電壓UR加在運(yùn)放的同相端，比較信號(hào)U4加在反相端。實(shí)現(xiàn)電壓比較。當(dāng)UR為零時(shí)，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(diǎn)電壓不是0V而是基準(zhǔn)電壓UR的值。當(dāng)U1大于UM時(shí)，比較器輸出作出0的響應(yīng)。

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(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)將不引進(jìn)共模電壓，因此，特別適用于基準(zhǔn)電平超過(guò)運(yùn)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(zhǔn)電壓UR，都能方便地調(diào)節(jié)門(mén)限電位。

該電路缺點(diǎn)是輸入阻抗低，當(dāng)R2/R1的值比較大時(shí)，失調(diào)電壓U10及其溫漂對(duì)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(jìn)正反饋后，使電路產(chǎn)生兩個(gè)門(mén)限電壓UTH和-UTH，它們是使比較器翻轉(zhuǎn)的切換點(diǎn)。UTH和-UTH的差值△UTH是門(mén)限寬度，即是滯后電壓。忽略運(yùn)放的失調(diào)，用疊加原理可得雙向翻轉(zhuǎn)閥值為

由上式可見(jiàn)，改變UR可調(diào)節(jié)閥值而不影響滯后電壓，就使設(shè)計(jì)者有了根據(jù)預(yù)計(jì)的最大噪聲電壓的值而選較比其大些的門(mén)限寬度△UTH，使電路具有一個(gè)等于門(mén)限寬度的內(nèi)建抗噪聲度。每當(dāng)比較器切換， 小于門(mén)限寬度的干擾將不會(huì)引起再切換，不會(huì)造成錯(cuò)誤的動(dòng)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(yīng)性最強(qiáng)的一種電路。

圖5.4-67中的二極管VD和穩(wěn)壓管VZ是后級(jí)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(zhuǎn)換過(guò)程，減小比較器響應(yīng)時(shí)間的作用。為了得到最小的失調(diào)誤差，應(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)下行特性，又稱(chēng)下行遲滯比較器。

如將圖5.4-67的U1和UR對(duì)換，經(jīng)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(chēng)上行遲滯特性由下行特性變成上行特性，又稱(chēng)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(shè)置在參考上限電平UH=UL+KUZ上，比較器A2的反相端設(shè)置在參考下限電平UL上。同一輸入信號(hào)加在兩個(gè)比較器上，與兩個(gè)參考電平同時(shí)比較，可以看出，只有當(dāng)UL﹤U1﹤UH時(shí)，兩個(gè)比較器輸出均是高電平，把兩個(gè)比較器輸出均是高電平，把兩個(gè)比較器輸出“與”起來(lái)，輸出UO也是邏輯電平1。這種情況只有在UL﹤U1﹤UH范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生。這個(gè)電路產(chǎn)生了一個(gè)窗口范圍，它用邏輯1輸出來(lái)表明輸入信號(hào)落在UL和UH所予定的范圍之中。當(dāng)U1﹤UL或U1﹥UH時(shí)，輸出邏輯電平是零，說(shuō)明輸入信號(hào)落在窗口之外。所以窗口電壓比較器廣泛用于分選和自動(dòng)控制系統(tǒng)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(gè)信號(hào)的電壓大小，并輸出相應(yīng)的比較結(jié)果。

在電路設(shè)計(jì)中，電壓比較器有著廣泛的應(yīng)用，比如在模擬信號(hào)處理、控制系統(tǒng)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(yùn)算放大器、反饋電阻、輸入電阻等元件組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路信號(hào)的比較操作。

其基本工作原理是將輸入信號(hào)與參考電平進(jìn)行比較，然后輸出一個(gè)高低電平結(jié)果。當(dāng)輸入電壓大于參考電平時(shí)，輸出為高電平;反之則為低電平。

2.電壓比較器的特點(diǎn)

電壓比較器具有下面幾個(gè)特點(diǎn)：高精度、靈敏度高、響應(yīng)速度快、功耗低等。

此外，還有一些器件具備超過(guò)輸入電壓范圍的保護(hù)功能，能有效防止電路損壞。

3.電壓比較器的應(yīng)用

電壓比較器廣泛應(yīng)用于實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，比如在模擬信號(hào)處理、數(shù)字電路、自動(dòng)控制等領(lǐng)域都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

舉例來(lái)說(shuō)，在溫度傳感器測(cè)量中，我們可以將傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。