電壓比較器原理分析

1、電 壓 比 較 器 原 理 分 析第一章 緒論電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路，在測量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文主要講述各種電壓比較器及其對應(yīng)的應(yīng)用電路，講述各種電壓比較器的特點(diǎn)及其電壓傳輸特性，同時闡述電壓比較器的組成特點(diǎn)和分析方法。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路，他常用于各種電子設(shè)備中，那么什么是電壓比較器呢？下面我給大家介紹一下，它將一個模擬量電壓信號和一個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)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。 圖1 圖1所示為一最簡

2、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。第二章 電壓比較器原理圖電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。因此，可用電壓比較器作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。集成電壓比較器雖然比集成運(yùn)放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小，但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時間短，而且一般不需要加限幅電路就可以直接驅(qū)動TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；有些芯片帶負(fù)載能力強(qiáng)，還可以直接驅(qū)動繼電器和指示燈。按一個器件上所含有電壓比較器的個數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器；按功能，可分為通用性高速型低功耗型低電壓型和高精度型電壓比較器；

3、按輸出方式，可分為普通集電極（或漏極）開路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。集電極（或漏極）開路輸出電壓必須在輸出端接一個電阻至電源，若一個為高電平，則另一個必為低電平。 此外，還有的集成電壓比較器帶有選通斷，用來控制電路是處于工作狀態(tài)，還是處于禁止?fàn)顟B(tài)。所謂工作狀態(tài)，是指點(diǎn)亂編電壓傳輸特性工作；所謂禁止?fàn)顟B(tài)，是指電路不按電壓傳輸特性工作，從輸出端看進(jìn)去相當(dāng)于開路，即處于高阻狀態(tài)。下面是對具體電壓比較器的功能電路分析：(A)電路圖 1傳輸特性當(dāng)UIUR時，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，運(yùn)放輸出低電平，DZ正向?qū)?，輸出電壓等?/p>

4、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，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常用來構(gòu)成各種電壓比較器 集成電壓比較器簡介： 作用：可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。 應(yīng)用：作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。特點(diǎn)：比集成運(yùn)放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小；但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時間短，而且不需外加限幅電路就

5、可直接驅(qū)動TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；有些芯片帶負(fù)載能力很強(qiáng)，還可直接驅(qū)動繼電器和指示燈。第三章 電壓比較器工作原理及應(yīng)用 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(shù)，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、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的電壓比較器。 3.1 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小(也有兩個數(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

6、入端：同相輸入端(“+” 端及反相輸入端“-”端)，有一個輸出端VOUT(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(這是個單電源比較器)，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。在時間0T1時，VA>VB；在T1T2時，VB>VA；在T2T3時，VA>VB。在這種情況下，VOUT的輸出如圖1所示：VA>VB時，VOUT輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA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。 圖1 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

7、(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(guān)。 圖2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。VB>VA時，VOUT輸出飽和負(fù)電壓。 圖2 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(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖3所示，它一般用作過零檢測。 3.2 電壓比較器的工作原理 比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)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(yùn)算放大

8、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(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=RF=(相當(dāng)于R3、RF開路)時，VOUT=。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(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大

9、，而VOUT輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。圖4 從圖4中可以看出，比較器電路就是一個運(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，它就變成與圖3(B)一樣的比較器電路了。圖5中的VIN相當(dāng)于圖3(B)中的VA。圖5 3.3 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，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負(fù)載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些

10、比較器為互補(bǔ)輸出，無需上拉電阻。 圖6 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。在要求不高時可采用通用運(yùn)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(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)。第四章 比較器典型應(yīng)用電路分析 這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應(yīng)用。4.1 散熱風(fēng)扇自動控制電路為了更好地控制風(fēng)扇，以使風(fēng)扇能夠良好的工作，需達(dá)到以下兩個要求一：總冷卻需求  首先必須了解三個關(guān)鍵因

11、素以得到總冷卻需求：  必須轉(zhuǎn)換的熱量 (即溫差DT) 抵消轉(zhuǎn)換熱量的瓦特數(shù) (W) 移除熱量所需的風(fēng)量 (CFM)   總冷卻需求對于有效地運(yùn)作系統(tǒng)甚為重要。有效率的系統(tǒng)運(yùn)作必須提供理想的運(yùn)作條件，使所有系統(tǒng)內(nèi)的組件均能發(fā)揮最大的功能與最長的使用年限。  下列幾個方式，可用來選擇一般用的風(fēng)扇馬達(dá)：  1.算出設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。 2.決定設(shè)備內(nèi)部所能允許的溫度上升范圍。 3.從方程式計算所需的風(fēng)量。 4.估計設(shè)備用的系統(tǒng)阻抗。 5.根據(jù)目錄的特性曲線或規(guī)格書來選擇所需的風(fēng)扇。 如果已

12、知系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部散熱量與允許的總溫度上升量，可得到冷卻設(shè)備所需的風(fēng)量。   以下為基本的熱轉(zhuǎn)換方程式：  H = CP×W×T 其中H = 熱轉(zhuǎn)換量 CP = 空氣比熱 T = 設(shè)備內(nèi)上升的溫度 W = 流動空氣重量 我們已知 W = CFM×D 其中 D = 空氣密度 經(jīng)由代換后，我們得到:  再由轉(zhuǎn)換因子(CONVERSION FACTORS)與代入海平面空氣的比熱與密度，可得到以下的散熱方程式：  CFM = 3160×千瓦 然后得到下列方程

13、式：  其中 Q：冷卻所需的風(fēng)量 P：設(shè)備內(nèi)部散熱量 (即設(shè)備消耗的電功率) TF：允許內(nèi)部溫升 (華氏) TC：允許內(nèi)部溫升 (攝氏) DT = DT1與DT2之溫差   溫升與所需風(fēng)量之換算表   KWH   DT   DT 0.511.522.533.544.55509018355370881051231411581764581203959789811713715617619540722244668811013215417619522035

14、63255075100125151176201226251305429598811714617620523426429325453575105141176211246281316351203644881321762202643083513964391527591171762342933514104695275861018881762643514395276157047918795917635152770487910551230140615821758例一：設(shè)備內(nèi)部消耗電功率為500瓦，溫差為華氏20度，下列為其計算結(jié)果：  或例二：設(shè)備內(nèi)部消耗電功率為500瓦，溫差為攝氏10度：&#

15、160; 或二：全部系統(tǒng)阻抗系統(tǒng)特性曲線  空氣流動時，氣流在其流動路徑會遇上系統(tǒng)內(nèi)部零件的阻擾，其阻抗會限制空氣自由流通。壓力的變化即測量到的靜壓，以英吋水柱表示。  為了確認(rèn)每一槽排(SLOT)之冷卻瓦特數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計或制造廠商不但必須有風(fēng)扇的有效風(fēng)扇特性曲線以決定其最大風(fēng)量，而且必須知道系統(tǒng)的風(fēng)阻曲線。系統(tǒng)內(nèi)部的零件會造成風(fēng)壓的損失。此損失因風(fēng)量而變化，即所謂的系統(tǒng)阻抗。  系統(tǒng)特性曲線之定義如下：  DP = KQN 其中 K = 系統(tǒng)特定系數(shù) Q = 風(fēng)量 (立方呎) N = 擾流因素，1 < N < 2

16、 平層氣流時，N = 1 亂流氣流時，N = 2  一些大功率器件或模塊在工作時會產(chǎn)生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風(fēng)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(fù)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(dāng)5V電壓加在RT及R1電阻上時，在A點(diǎn)有一個電壓VA。當(dāng)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(shè)定在80時應(yīng)接通散

17、熱風(fēng)扇，這80即設(shè)定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80時對應(yīng)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(rèn)為R1值不變)，則可以計算出在80時的VA值。 圖7 圖8 R2與RP組成分壓器，當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(電壓穩(wěn)定性較好)，調(diào)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(shè)定的閾值電壓，稱為VTH。 設(shè)計時希望散熱片上的溫度一旦超過80時接通散熱風(fēng)扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80時的K值。一旦VA>VTH，則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風(fēng)扇(直流電機(jī))得電工作，使大功率器件降溫。VA、VTH電壓變化及比較器輸出電

18、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(fēng)扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過一定時問才能把溫度降到80度以下。 圖9 從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應(yīng)地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，調(diào)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(shè)流過RT、R1及R2、RP的電流各為0.10.5MA)。 4.2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)及VTHL(低閾值電壓)，與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個比較器。若VTHLVAVTHH，VOUT輸出高電平；若VA<VTHL，VA>VTHH，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(shè)為05，(0到5是一個“窗口”)，在此溫度范圍時比較器輸