常見電壓比較器分析比較

1、常見電壓比較器分析比較電壓比較器通常由集成運放構成，與普通運放電路不同的是，比較器中的集成運放大多處于開環(huán)或正反饋的狀態(tài) 只要在兩個輸入端加一個很小的信號，運放就會進入非線性區(qū)，屬于集成運放的非線性應用圍。在分析比較器時， 虛斷路原則仍成立，虛短與虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應。一、零電平比較器（過零比較器）電壓比較器是將一個模擬輸入信號ui與一個固定的參考電壓UR進行比較和鑒別的電路。參考電壓為零的比較器稱為零電平比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種零電位比較器，如 圖1 （a）、（b）所示圖1過零比較器（a）反相輸入；（b ）同相輸入通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比較器

2、的工作特性。閾值電壓（又稱門檻電平）是使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時的輸入電壓值，簡稱為閾值，用符號UTH表示。估算閾值主要應抓住輸入信號使輸出電壓發(fā)生跳變時的臨界條件。這個臨界條件是集成運放兩個輸入端的電位相 等（兩個輸入端的電流也視為零），即U+=U -。對于圖1（a）電路，U - =Ui, U+=0, UTH=0。傳輸特性是比較器的輸出電壓uo與輸入電壓ui在平面直角坐標上的關系。畫傳輸特性的一般步驟是：先求閾值，再根據(jù)電壓比較器的具體電路，分析在輸入電壓由最低變到最高（正向過 程）和輸入電壓由最高到最低（負向過程）兩種情況下，輸出電壓的變化規(guī)律，然后畫出傳輸特性。二、任意電平比較器（俘零比

3、較器）將零電平比較器中的接地端改接為一個參考電壓UR（設為直流電壓），由于UR的大小和極性均可調整，電路成為 任意電平比較器或稱俘零比較器圖2任意電平比較器與傳輸特性（a）任意電平比較器；（b ）傳輸特性圖3電平檢測比較器信傳輸特性（a）電平檢測比較器；（b）傳輸特性電平電壓比較器結構簡單，靈敏度高，但它的抗干擾能力差。也就是說，如果輸入信號因干擾在閾值附近變化時， 輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復地跳變，可能使輸出狀態(tài)產生誤動作。為了提高電壓比較器的抗干擾能力， 下面介紹有兩個不同閾值的滯回電壓比較器三、滯回電壓比較器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，遲滯比較器。這種比較器的特點是當輸入信號ui

4、逐漸增大或逐漸減小時，它有兩個閾值，且不相等，其傳輸特性具有滯回”曲線的形狀。滯回比較器也有反相輸入和同相輸入兩種方式。UR是某一固定電壓，改變UR值能改變閾值與回差大小。以圖4(a)所示的反相滯回比較器為例，計算閾值并畫出傳輸特性2圖4滯回比較器與其傳輸特性(a)反相輸入；(b )同相輸入1，正向過程正向過程的閾值為形成電壓傳輸特性的abcd段2，負向過程負向過程的閾值為形成電壓傳輸特性上defa段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱之為滯回電壓比較器利用求閾值的臨界條件和疊加原理方法，不難計算出圖4(b)所示的同相滯回比較器的兩個閾值兩個閾值的差值AUTH=UTH1-UTH2稱為回差。由上分析

5、可知，改變R2值可改變回差大小，調整UR可改變UTH1和UTH2,但不影響回差大小。即滯回比較器的 傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。圖5比較器的波形變換(a)輸入波形；(b )輸出波形例如，滯回比較器的傳輸特性和輸入電壓的波形如圖6(a)、(b)所示。根據(jù)傳輸特性和兩個閾值(UTH1=2V, UTH2= - 2V)，可畫出輸出電壓uo的波形，如圖6(c)所示。從圖(c)可見，ui在UTH1與UTH2之間變化，不會引 起uo的跳變。但回差也導致了輸出電壓的滯后現(xiàn)象，使電平鑒別產生誤差。圖6說明滯回比較器抗干擾能力強的圖(a)已知傳輸特性；(b)已知ui波形；(c)根據(jù)傳輸特性和ui波

6、形畫出的uo波形四、窗口電壓比較器電平比較器和滯回比較器有一個共同特點，即ui單方向變化(正向過程或負向過程)時，uo只跳變一次。只能檢 測一個輸入信號的電平，這種比較器稱為單限比較器雙限比較器又稱窗口比較器。它的特點是輸入信號單方向變化(例如ui從足夠低單調升高到足夠高)，可使輸出 電壓uo跳變兩次，其傳輸特性如圖7(b)所示，它形似窗口，稱為窗口比較器。窗口比較器提供了兩個閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來判斷ui是 否在某兩個電平之間。20k QAiA?MiU.汨&V,!Okn虬0匚二f20k DJlOkQh)clefpns com * 苫或股*圖7窗口比較器電路與傳輸特性（a）窗口比較器；（

7、b）傳輸特性電壓比較器（以下簡稱比較器）是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，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)測電路、振蕩器與壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理與典 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單地說，電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大?。ㄒ灿袃蓚€數(shù)字電壓比較的，這里不介紹），并判斷出其中哪一個電壓高，如圖1 所示。圖1（a）是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端（“+”端）與反相輸入端（“-”端），有一個輸出端Vout（輸出電平信號）。 另外有電源V+與地（這是個單電源比較器

8、），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。在時間0t1時， VAVB；在t112時，VBVA；在t2t3時，VAVB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1（c）所示：VAVB時，Vout輸出高電平（飽 和輸出）；VBVA時，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。Ibiidi劇I如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA與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。圖2（a）是雙電源（正負電源）供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如

9、圖1（b）那樣，它的輸出特性如圖2（b）所示。VBVA時，Vout輸出飽和負電壓。如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓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。比較器的工作原理比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。由于比較器電路應用較為廣泛，所以開發(fā)出了 專門的比較器集成電路。圖4(a)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經分壓器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，若不考慮輸入失調電壓，則其輸出電壓V

10、out與VA、VB與4個電阻的關系式為：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 短路)，R3=RF=8(相當于 R3、 RF開路)時，Vout=8。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖4 (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4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)

11、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=8, R1=0時，它就變成與圖3 (b) 一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當于圖3 (b)中 的VA。比較器與運放的差別運放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調電壓更小，共模輸入電壓圍更大，壓擺率較高(使 比較器響應速度更快）。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結構，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅動不同電源 電壓的負載，應用上更加靈活。但也有一些比較器為互補輸出，無需上拉電阻。這里順便要指出的是，比較器電路本身也有技術指標要求，如精度、響應速度、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數(shù)與

12、運放的參數(shù)一 樣。在要求不高時可采用通用運放來作比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密比較器電路。由于比較器與運放的部結構基本一樣，其大部分參數(shù)（電特性參數(shù)）與運放的參數(shù)項基本一樣（如輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入 偏置電流等）。比較器典型應用電路這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應用。1.散熱風扇自動控制電路一些大功率器件或模塊在工作時會產生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風扇來冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡單的 溫度控制電路，如圖7所示。負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率器件的溫度（散熱片上的溫度要比器件的溫度略 低一些），當5V電壓加在RT與

13、R1電阻上時，在A點有一個電壓VA。當散熱片上的溫度上升時，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。 RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(shù)（即溫度一定時，其阻值也是一定的單值）。 如果我們設定在80C時應接通散熱風扇，這80C即設定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80C時對應的RT的阻值。R1的阻值是 不變的（它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度變化不大時可認為R1值不變），則可以計算出在80C時的VA值。R2與RP組成分壓器，當5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時（電壓穩(wěn)定性較好），調節(jié)RP可以改變VB的電壓（電位器中心頭的電壓值）。VB值 為比較器設定的閾值電

14、壓，稱為VTH。設計時希望散熱片上的溫度一旦超過80C時接通散熱風扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應等于80C時的K值。一旦VAVTH，則比較器輸出低 電平，繼電器K吸合，散熱風扇（直流電機）得電工作，使大功率器件降溫。VA、VTH電壓變化與比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所 示。這里要說清楚的是在VA開始大于VTH時，風扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經過一定時問才能把溫度降到80C以下。時間從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，調整十分方便。只要RT 確定，RT的溫度特性確定，則R1、R2、RP可方便求出（設流過RT、R1與R

15、2、RP的電流各為0.10.5mA）。2.窗口比較器窗口比較器常用兩個比較器組成（雙比較器），它有兩個閾值電壓VTHH （高閾值電壓）與VTHL （低閾值電壓），與VTHH與VTHL比較的 電壓VA輸入兩個比較器。若VTHLWVAWVTHH，Vout輸出高電平；若VAVTHL，VAVTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10 是一個冰箱報警器電路。冰箱正常工作溫度設為05C，（0C到5C是一個“窗口”），在此溫度圍時比較器輸出高電平（表示溫度正 常）；若冰箱溫度低于0V或高于5C，則比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器（UC）作報警信號。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0C時阻值為333.1kQ；5C時阻值為258.3kQ，則按1.5V工作電壓與流過R1、RT的電流 約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計算出0C時的VA值為0.5V （按圖10中R1