電壓比較器工作原理及電路圖分析

1、電路比較器電路比較器 工作原理及電路圖分析目錄目錄電壓比較器電路圖淺析03電壓比較器工作原理02電壓比較器簡(jiǎn)介01 電壓比較器簡(jiǎn)介01一一. 電壓比較器簡(jiǎn)介電壓比較器簡(jiǎn)介工博士商城 電壓比較器可以說(shuō)是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路，通常應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，那么什么是電壓比較器呢？下面讓我們來(lái)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解。 在工作狀態(tài)下，電壓比較器會(huì)將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域?？偟膩?lái)說(shuō)，電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒別與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電

2、路。常用的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器、窗口比較器、三態(tài)電壓比較器等。 并且，電壓比較器可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。 在一般應(yīng)用中，有時(shí)也可以用線性運(yùn)算放大器，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來(lái)使用。我們知道，運(yùn)放是通過反饋回路和輸入回路的確定“運(yùn)算參數(shù)”，比如放大倍數(shù)，反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋，直接比較兩個(gè)輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。一一. 電壓比較器簡(jiǎn)介電壓比較器簡(jiǎn)介

3、工博士商城 所有的運(yùn)算放大器。常見的有LM324 LM358 uA741 TL081234 OP07 OP27，這些都可以做成電壓比較器（不加負(fù)反饋）。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器，切換速度快，延遲時(shí)間小，可用在專門的電壓比較場(chǎng)合，其實(shí)它們也是一種運(yùn)算放大器。 電壓比較器大致可分為兩類： 1.模擬比較器 將模擬量與一標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,當(dāng)高于該值時(shí),輸出高(或低)電平.反之,則輸出低(或高)電平.例如,將一溫度信號(hào)接于運(yùn)放的同相端,反相端接一電壓基準(zhǔn) (代表某一溫度),當(dāng)溫度高于基準(zhǔn)值時(shí),運(yùn)放輸出高電平,控制加熱器關(guān)閉,反之當(dāng)溫度信號(hào)低于基準(zhǔn)值時(shí),運(yùn)放輸出低電平,將加熱器接通.這一運(yùn)放

4、就是一個(gè) 簡(jiǎn)單的比較器,因?yàn)檩斎肱c輸出同相,稱為同相比較器.有的模擬比較器具有遲滯回線,稱為遲滯比較器,用這種比較器,有助于消除寄生在信號(hào)上的干擾. 2.數(shù)字比較器 用來(lái)比較二組二進(jìn)制數(shù)是否相同,相同時(shí)輸出(或低)高電平,反之,則輸出相反的電平. 最簡(jiǎn)單的數(shù)字比較器是一位二進(jìn)制數(shù)比較器,是一個(gè)異或門(或同或門)。 電壓比較器工作原理02二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器?？捎脕?lái)比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：當(dāng)”+”輸入端電壓高于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)”+”輸入

5、端電壓低于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。工作在線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是虛短，虛斷；工作在非線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是跳變，虛斷； 由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放常工作在非線性區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)上看，運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換更加快速，以提高響應(yīng)速度，一般在電路中接入正反饋。下面讓我們來(lái)看看詳細(xì)的電壓比較器原理分析。圖一二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 圖一所示為一最簡(jiǎn)單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運(yùn)放的同相的輸入端，輸入電壓ui加在反相的輸入端。 (a)電路圖 (b)傳輸特性當(dāng)uiUR時(shí)，

6、運(yùn)放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，即uOUZ 當(dāng)uiUR時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，DZ正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD，即 uoUD 因此，以UR為界，當(dāng)輸入電壓ui變化時(shí)，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低電位。 表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線，稱為傳輸特性。 圖31(b)為(a)圖比較器的傳輸特性。 常用的電壓比較器有過零電壓比較器、具有滯回特性的過零比較器、滯回電壓比較器，窗口（雙限）電壓比較器。LM339常用來(lái)構(gòu)成各種電壓比較器。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 圖1(a)是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸

7、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0t1時(shí)，VAVB；在t1t2時(shí)，VBVA；在t2t3時(shí)，VAVB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VAVB時(shí)，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VBVA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V

8、A、VB的輸入端有關(guān)。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 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。VBVA時(shí)，Vout輸出飽和負(fù)電壓。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 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，它一般用作過零檢測(cè)。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 電壓比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，電壓比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)

9、用電路。由于電壓比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的電壓比較器集成電路。 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

10、，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(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。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 電壓比較器與運(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，電壓比較器的輸出級(jí)常用集電極開路結(jié)構(gòu)，

11、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。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 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)。二二. 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理工博士商城 由此我們可以總結(jié)

12、出以下結(jié)論： 電壓比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)換到高電平，或從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，需要一定的時(shí)間(決定電壓比較器的瞬態(tài)響應(yīng))，其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調(diào)電壓，因此它的輸入端將出現(xiàn)不確定電壓，該不確定電壓將直接影響電壓比較器的靈敏度(對(duì)輸入電壓判別的靈敏度)。對(duì)于高性能的電壓比較器來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有高的開環(huán)增益A、低的失調(diào)電壓和高的壓擺率。顯然，一般的運(yùn)算放大器如果工作在開環(huán)狀態(tài)，也可以作為電壓比較器之用。但在運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)，著重考慮其輸出與輸入之間的線性傳輸特性以及頻率補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。因此，運(yùn)放的響應(yīng)時(shí)間和延遲時(shí)間往往不是很大，開環(huán)增益也不是很高。若需要高速或高靈敏度的電壓比較器，采

13、用運(yùn)放來(lái)代替電壓比較器，在要求比較高的設(shè)計(jì)中通常是不合適的，而需要根據(jù)具體的要求設(shè)計(jì)電壓比較器。在設(shè)計(jì)電壓比較器時(shí)，其直流特性的設(shè)計(jì)原則基本上與運(yùn)放電路一致，而頻率特性的設(shè)計(jì)與運(yùn)放電路不同，通常電壓比較器在開環(huán)條件下工作，因此在電路內(nèi)部不需要考慮放大器閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補(bǔ)償。一般的電壓比較器采用四級(jí)結(jié)構(gòu)，前兩級(jí)和差分運(yùn)算放大器基本相同，只是把運(yùn)放中的補(bǔ)償電容去掉，后兩級(jí)使用CMOS反向器，這里的CMOS反向器的作用需要作一下說(shuō)明:前一個(gè)反向器(電壓比較器的第三級(jí))并不是工作在高低電平狀態(tài)，而是工作在傳輸特性曲線中的轉(zhuǎn)折區(qū)(接近闡值電壓)。被當(dāng)做放大器使用，對(duì)差分信號(hào)起放大作用;后一個(gè)反向器(電壓比較器的第四級(jí))在反向的同時(shí)，使電壓達(dá)到滿幅輸出。 電壓比較器電路圖分析03三三. 電壓比較器電路圖分析電壓比較器電路圖分析工博士商城 在上面的電路中，電壓比較器前兩級(jí)的元器件參數(shù)可以使用前面設(shè)計(jì)的放大器的參數(shù)，但有一點(diǎn)需要注意，那就是當(dāng)電壓比較器的兩個(gè)輸入