比較器是能夠?qū)崿F(xiàn)比較兩個(gè)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(gè)輸入端Vi+和Vi-，一個(gè)輸出端Vout。輸入端接的是模擬信號(hào)，輸出端輸出是的數(shù)字信號(hào)，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(lái)決定的。

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

下面顯示的是一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)零檢測(cè)器、張弛振蕩器、電平轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、窗口檢測(cè)器和施密特觸發(fā)器等。

在上面的原理圖中，運(yùn)放 -ve 輸入端的兩個(gè)電阻相等，使得 Vref = Vcc/2。當(dāng) Vin 超過(guò)該點(diǎn)時(shí)，輸出迅速變高。當(dāng) Vin 降至 Vref 以下時(shí)，輸出再次變低。

通過(guò)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(shí)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(yùn)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(chēng)為反相比較器，因?yàn)樾枰容^的輸入電壓施加到運(yùn)算放大器的反相端子。

反相比較器的操作很簡(jiǎn)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(gè)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(yùn)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(yùn)算放大器的比較器稱(chēng)為非反相比較器，因?yàn)楸仨毐容^的輸入電壓施加到運(yùn)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(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。

圖1(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1(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1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。

同相放大器電路如下圖所示。如果圖2中RF=∞，R1=0時(shí)，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖2中的Vin相當(dāng)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(jì)的簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn) 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(chēng)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(lái)保護(hù)LED免受過(guò)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(kāi) 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(zhuān)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(kāi)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(kāi)晶體管 Q1，從而打開(kāi) LED。通過(guò)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(méi)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(wèn)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(kāi)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(wèn)題，則正常補(bǔ)償端子上的 3 pF 電容器將消除它。

下圖所示的 LM101 的連接用作比較器和燈驅(qū)動(dòng)器。 Q1 開(kāi)關(guān)燈，R2 限制因打開(kāi)冷燈而產(chǎn)生的電流浪涌。 Q1 的基極驅(qū)動(dòng)由 R1 決定，而 D1 可以防止放大器在關(guān)斷時(shí)在 Q1 的發(fā)射極-基極結(jié)上施加過(guò)多的反向偏置。

4、基uA741運(yùn)算放大器的電壓比較器電路圖

基于 uA741 運(yùn)算放大器的實(shí)用同相比較器如下所示。這里，參考電壓是使用由 R1 和 R2 組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的。等式為 Vref = (V+/ (R1 + R2)) x R2。

將電路圖中給出的值代入該方程可得出 Vref = 6V。只要 Vin 高于 6V，輸出就會(huì)擺動(dòng)至 ~+12V DC，反之亦然。該電路由 +/- 12V DC 雙電源供電。