比較器是一種電子設(shè)備或電路，用于比較兩個(gè)電壓或電流信號(hào)的大小，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。比較器在電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色，廣泛應(yīng)用于模擬電路、數(shù)字電路以及混合信號(hào)電路中。

定義

比較器是一種電子電路，它可以接收兩個(gè)輸入信號(hào)，并根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)的大小關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平的輸出。當(dāng)正輸入(非反相輸入)大于負(fù)輸入(反相輸入)時(shí)，輸出為高電平;當(dāng)正輸入小于負(fù)輸入時(shí)，輸出為低電平。

比較器的工作原理基于運(yùn)算放大器。實(shí)際上，一個(gè)基本的比較器可以看作是一個(gè)去掉反饋回路的運(yùn)算放大器。當(dāng)運(yùn)算放大器的正輸入端電壓高于負(fù)輸入端時(shí)，輸出端會(huì)飽和到正電源電壓;反之，當(dāng)正輸入端電壓低于負(fù)輸入端時(shí)，輸出端會(huì)飽和到負(fù)電源電壓。

開環(huán)比較器

開環(huán)比較器是最簡單的形式，它不包含任何反饋機(jī)制。開環(huán)比較器的輸出在正電源電壓和負(fù)電源電壓之間快速切換，沒有中間狀態(tài)。

滯后比較器

滯后比較器(或稱為施密特觸發(fā)器)在輸出切換時(shí)引入了滯后效應(yīng)。這意味著正輸入必須高于負(fù)輸入一定值才能使輸出從低電平切換到高電平，而負(fù)輸入必須低于正輸入一定值才能使輸出從高電平切換到低電平。滯后效應(yīng)可以減少輸出的抖動(dòng)和噪聲。

窗口比較器

窗口比較器可以提供兩個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓在這兩個(gè)閾值之間時(shí)，輸出為低電平;當(dāng)輸入電壓超出這個(gè)范圍時(shí)，輸出為高電平。窗口比較器通常由兩個(gè)滯后比較器反向連接構(gòu)成。

快速響應(yīng)

比較器能夠提供快速的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻芨叩脑鲆婧蛶挕?

無反饋

與運(yùn)算放大器不同，比較器通常不使用反饋回路，這使得它們的輸出可以快速切換。

輸出為數(shù)字信號(hào)

比較器的輸出為數(shù)字信號(hào)(高電平或低電平)，這使得它們可以很容易地與數(shù)字電路接口。

簡單結(jié)構(gòu)

比較器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，通常只需要少量的外部元件。

滯后效應(yīng)

滯后比較器具有滯后效應(yīng)，可以減少噪聲和抖動(dòng)，提高電路的穩(wěn)定性。

可調(diào)節(jié)閾值

比較器的閾值電壓可以通過外部電阻或電壓源進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換

比較器在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)中起著關(guān)鍵作用，尤其是在逐次逼近寄存器(SAR)ADC中。

電壓監(jiān)測(cè)

比較器常用于電壓監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路，例如過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)。

信號(hào)整形

比較器可以用來整形信號(hào)，消除噪聲和抖動(dòng)，提供清晰的數(shù)字輸出。

滯后比較器可以用于構(gòu)建振蕩器，如方波振蕩器和三角波振蕩器。

數(shù)據(jù)恢復(fù)

在通信系統(tǒng)中，比較器用于從接收到的模擬信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

電源電壓

比較器的電源電壓應(yīng)高于預(yù)期的最大輸入電壓，以確保輸出可以飽和到高電平。

輸入偏置電流

輸入偏置電流可能會(huì)影響比較器的性能，特別是在低輸入電壓下。

增益帶寬積

比較器的增益帶寬積(GBW)是其性能的重要參數(shù)，高GBW意味著更快的響應(yīng)時(shí)間。

輸出驅(qū)動(dòng)能力

比較器的輸出驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的數(shù)字電路或負(fù)載。

滯后電壓

滯后比較器的滯后電壓應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，以確保足夠的穩(wěn)定性。

比較器是一種功能強(qiáng)大的電子電路，它在電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。通過理解比較器的工作原理、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮，工程師可以有效地利用比較器來實(shí)現(xiàn)各種功能。無論是在模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理還是混合信號(hào)處理中，比較器都是一種不可或缺的工具。

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(jì)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(cè)電阻或LDR。這只是一個(gè)光敏元件，它會(huì)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(dāng)光照射到 LDR 傳感器時(shí)，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?cè)谝_ 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(hào)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(qiáng)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(dāng)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(shí)，比較器輸出就會(huì)改變狀態(tài)。 LDR 在黑暗中時(shí) 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。

2、基于LM358運(yùn)算放大器的比較器電路圖

這是一個(gè)由常見 LM741 運(yùn)算放大器構(gòu)建的比較器。在此測(cè)試電路中，我們使用 12 伏雙極電源。在 NEG 輸入中，引腳 2 固定為 6 伏，齊納二極管連接到電源的 + 側(cè)。我們將其稱為 Vref。

在引腳 3 的 POS 輸入上，我們將電位計(jì)連接回 + 和 GND。這是文。如果 Vin小于6 伏，則 LM741 引腳 7 上的輸出將約為負(fù) 10 伏。這里我們使用1N4001二極管來保護(hù)LED免受過高的反向電壓的影響。

如果我們將 10K 電位器調(diào)整到 Vin 大于 Vref ，則引腳 7 上的輸出將變?yōu)榇蠹s+10V 正向偏置 1N4001 并打開 LED。

使用 LM741 的缺點(diǎn)是使用雙極電源。圖中的比較器電路使用LM358運(yùn)算放大器代替LM741。 LM358 專為單電源供電而設(shè)計(jì)。它的作用，只是添加了 Q1 作為集電極開路輸出驅(qū)動(dòng)器。

當(dāng) Vin 小于 Vref 時(shí)，引腳上的輸出變?yōu)榧s 10 伏，從而打開晶體管 Q1，從而打開 LED。通過用 10K 電位器設(shè)置跳變點(diǎn)，可以制作欠壓指示器。

3、使用LM101的比較器電路圖

LM101 非常適合比較器應(yīng)用的兩個(gè)原因是它具有較大的差分輸入電壓范圍，并且輸出易于鉗位以使其與各種驅(qū)動(dòng)器和邏輯電路兼容。 LM101 沒有 LM7104 的速度(10us 與 40ns，在同等條件下)，但速度在許多線性應(yīng)用中不是問題，并且 LM101 的較低輸入電流和較高電壓能力是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。下面的電路圖顯示了使用 LM101 的兩個(gè)比較器電路。

上圖是一種鉗位方案，使輸出信號(hào)直接與DTL或TTL集成電路兼容。 0V 或 4V 的輸出分別由 LM103 擊穿二極管鉗位在低或高狀態(tài)。具有急劇擊穿和低等效電容是選擇這種特殊二極管的原因。放大器開環(huán)工作，因此作為比較器工作時(shí)通常不需要頻率修正。盡管如此，為了防止比較器處于活動(dòng)區(qū)域時(shí)出現(xiàn)低電平振蕩，放大器引腳 5 和 6 之間的雜散電容應(yīng)最小化。如果這成為問題，則正常補(bǔ)償端子上的 3 pF 電容器將消除它。