選擇一個合適的比較器必須精通比較器的應(yīng)用場合、原理及類型。這篇文章就講解了關(guān)于比較器的原理和應(yīng)用。

什么是比較器?它和放大器有什么不同?

我們從工程學(xué)教程里了解到，運算放大器需要三個內(nèi)部級才能發(fā)揮出最佳性能，比如實現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個內(nèi)部級分別是差分輸入級、增益級(有或沒有內(nèi)部頻率補償)和輸出級。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運算放大器曾作為數(shù)學(xué)運算的基本器件，主要以電壓和電壓信號來作標識。在反饋應(yīng)用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對數(shù)等運算。

比較器其實可看成一個能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號與已定義的參考電平進行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設(shè)計具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

在LM339的數(shù)據(jù)表中，列出了大量的應(yīng)用。這基本上可以解釋其在過去30年中為何被業(yè)界廣泛地采用。以下列出LM339的一些常見應(yīng)用：

·邏輯電平平移;

·過零檢測/觸發(fā)電路;

·電壓信號/電源電壓監(jiān)察;

·Window比較器、施密特觸發(fā)器;

·振蕩器;

·時鐘緩沖器;

·互導(dǎo)放大器。

比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運算放大器類似。因此，運算放大器也可充當比較器。但放大器并不是專門針對比較功能而開發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項功能可否正常實現(xiàn)。運算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開環(huán)設(shè)計，沒有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號的極性。

此外，比較器一般都會被設(shè)計成 “過壓驅(qū)動”(overdriven)，意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對于運算放大器而言，它通常被設(shè)計成在較小的信號和差分電壓下運行，而這里的反饋概念通常都含有 “過驅(qū)” 意義，這樣會導(dǎo)致開環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應(yīng)。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過驅(qū)時產(chǎn)生的輸入級的飽和會導(dǎo)致信號的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

再者，對于較大的差分輸入電壓來說，運算放大器的輸出很容易到達極限輸出，從而啟動保護功能。保護功能的啟動將會導(dǎo)致輸入阻抗的量級明顯下降，迫使過量的電流涌到輸入級，造成過載，甚至過熱。如果在設(shè)計上沒有保護的措施，那便可能導(dǎo)致整個器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設(shè)計人員決定用多少附加輸入電阻。

比較器和運算放大器之間最基本的區(qū)別就是他們具有不同的輸出級結(jié)構(gòu)。開漏或開集(以MOSFET為例)輸出都有一個可用作輸出但卻不內(nèi)部連接到V+的節(jié)點，而一個連接正電源電壓的外部電阻器會在晶體管被關(guān)閉時將輸出拉成 “高”。這個外部電壓可以高于VCC，并且允許電平移位或可通過平行數(shù)個器件的兩個或更多個輸出來達到所謂的 “Wired-Or”2 功能 。假如內(nèi)部的晶體管啟動，一個細小的電流會從外部電源經(jīng)過上拉電阻器流進器件輸出，并令輸出電壓級轉(zhuǎn)換成 “低” 和接近VCE (雙極晶體管中的集極-發(fā)射極電壓)。

比較器通常都不進行頻率補償功能，因此其工作速度相當高，同時開關(guān)時間也在某程度上取決于 “過驅(qū)”的程度。圖1表示出當衡量一個輸出狀態(tài)變化時的差分輸入電壓。從圖中可看出過驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進行工作。一般來說，較大的過驅(qū)可加快開關(guān)時間。

比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來分類，例如：

·通用比較器;

·高速比較器(傳播延遲少于50毫微秒);

·低壓比較器(電源電壓VCC低于5V);

·微功率比較器(靜態(tài)電流低于20微安);

·集成參考的比較器。

比較器的特性取決于其類別，分別為：

·傳播延遲—由施加一個差分信號與切換狀態(tài)的輸出級之間的時間延遲 (例如是50%)。

·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開關(guān)電壓和高到低開關(guān)電壓之間的設(shè)計預(yù)算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。

·上升及下降時間—一般是輸出電壓的10%至90%的時間，并且上升和下降緣的時間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會導(dǎo)致輸出的周期時間會相對于輸入信號而改變。

·觸發(fā)率—指在某一個頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來變化。

·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

·抖動—可以是隨機或事前決定，負責量度信號緣在時間上的不定性。

比較器是能夠?qū)崿F(xiàn)比較兩個輸入端的電流或電壓的大小這一功能的電路或者裝置。它有兩個輸入端Vi+和Vi-，一個輸出端Vout。輸入端接的是模擬信號，輸出端輸出是的數(shù)字信號，輸出要么是高要么就是低，具體的高電平是任意由外接的電壓幅值來決定的。

選擇其中輸入端作為參考點(REF)來進行比較，例如選擇同相輸入端V2作為參考,當反相輸入端V1大于V2時,Vout輸出低電平;當V1小于V2時,Vout輸出高電平。由此可知輸出端的狀態(tài)代表著兩個輸入之間的凈差的符號,參考電壓V2則稱為比較器的閾值電壓UT。由于比較器實際上是1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC),因而是ADC中的一個基本元件。

下面顯示的是一個簡單比較器的原理圖和輸出圖。

該電路構(gòu)成了許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括過零檢測器、張弛振蕩器、電平轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、窗口檢測器和施密特觸發(fā)器等。

在上面的原理圖中，運放 -ve 輸入端的兩個電阻相等，使得 Vref = Vcc/2。當 Vin 超過該點時，輸出迅速變高。當 Vin 降至 Vref 以下時，輸出再次變低。

通過電阻器 R2 添加一些正反饋，將其變成施密特觸發(fā)器，其遲滯由 R2/R1 控制。大多數(shù)555定時器應(yīng)用都是基于使用它們自己的內(nèi)部比較器。

1、反相比較器

反相比較器是基于運算放大器的比較器，其中參考電壓施加到其非反相端子，輸入電壓施加到其反相端子。該比較器稱為反相比較器，因為需要比較的輸入電壓施加到運算放大器的反相端子。

反相比較器的操作很簡單。它根據(jù)其輸入電壓和參考電壓的值在輸出處產(chǎn)生兩個值之一。反相比較器的電路圖如下圖所示。

2、同相比較器

同相比較器是基于運算放大器的比較器，其中參考電壓施加到其反相端子。另一方面，輸入電壓施加到其非反相端子。這種基于運算放大器的比較器稱為非反相比較器，因為必須比較的輸入電壓施加到運算放大器的非反相端子。同相比較器的電路圖如下圖所示。

比較器采用集成電路原理，它是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路。

圖1(a)由運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R1=R2=0(相當于R1、R2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1(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1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。

同相放大器電路如下圖所示。如果圖2中RF=∞，R1=0時，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖2中的Vin相當于圖3(b)中的VA。

1、使用LM339的LDR比較器電路圖

使用德州儀器 (TI) 的IC LM339設(shè)計的簡單LDR比較器電路。這是一款四路比較器IC，該電路中僅使用了該IC 的4 位內(nèi)部比較器之一。該電路采用5 伏穩(wěn)壓直流電源供電。

這里該電路的光敏元件是光檢測電阻或LDR。這只是一個光敏元件，它會根據(jù)照射在其上的光線而改變其電阻。照射在其上的光線越多，其抵抗力越低。

在上面的電路中，我們將引腳 4 連接到 LDR，電阻 R1 作為分壓電路。這是反相端子，當光照射到 LDR 傳感器時，通過該引腳的電阻率將降低，并且引腳 4 上的電壓將升高，從而導(dǎo)致引腳 3 處輸出低電平。

我們在引腳 5 處添加了可變電阻。由于可變電阻設(shè)置為低阻值，因此引腳 5 上的電壓變高。反相端子引腳 4 需要低輸入信號以保持低于引腳 4 上的電壓以獲得更高的輸出，這意味著它被設(shè)置為低光強度。 LDR 上照射的光越多，其電阻就越低，輸出端的電壓就越高。每當反相輸入端的電壓超過或低于非反相輸入端設(shè)置的閾值電壓時，比較器輸出就會改變狀態(tài)。 LDR 在黑暗中時 LED 亮起。我們可以使用繼電器或蜂鳴器代替LED來將該電路投入具體應(yīng)用。