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(yùn)放構(gòu)成，與普通運(yùn)放電路不同的是，比較器中的集成運(yùn)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(yùn)放就會進(jìn)入非線性區(qū)，屬于集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用范圍。在分析比較器時，虛斷路原則仍成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應(yīng)。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(jìn)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 2011-12-22 11:50:16 上傳下載附件 (12.6 KB) 過零比

2、較器 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(yīng)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(yùn)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(biāo)上的關(guān)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(

3、負(fù)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(shè)為直流電壓)，由于UR的大小和極性均可調(diào)整，電路成為任意電平比較器或稱俘零比較器。2011-12-22 11:50:16 上傳下載附件 (10.48 KB) 圖2 任意電平比較器及傳輸特性 (a)任意電平比較器；(b)傳輸特性 2011-12-22 11:50:16 上傳下載附件 (12.79 KB) 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(jié)構(gòu)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

4、在閾值附近變化時，輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復(fù)地跳變，可能使輸出狀態(tài)產(chǎn)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(diǎn)是當(dāng)輸入信號ui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值能改變閾值及回差大小。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2011-12-22 11:50:16 上傳下載附件 (24.1 KB) 圖4 滯回比較器及其傳輸特性 (a)反

5、相輸入；(b)同相輸入 1，正向過程 正向過程的閾值為 2011-12-22 11:50:19 上傳下載附件 (5.22 KB) 形成電壓傳輸特性的abcd段 2，負(fù)向過程 負(fù)向過程的閾值為 2011-12-22 11:50:20 上傳下載附件 (5.29 KB) 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 2011-12-22 11:50:20 上傳下載附件 (5.88 KB) 兩個閾值的差值UTH=UTH1UTH2稱為回差。 由上分析可知，改變R2值可改變回差大小，調(diào)

6、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。 2011-12-22 11:50:22 上傳下載附件 (10.72 KB) 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(UTH12V, 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(dǎo)致了輸出電壓的滯后現(xiàn)象，使電平鑒別產(chǎn)生誤差。2011-12-22 11:50:22 上傳下載附件 (18.7

7、8 KB) 圖6 說明滯回比較器抗干擾能力強(qiáng)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(diǎn)，即ui單方向變化(正向過程或負(fù)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(diǎn)是輸入信號單方向變化(例如ui 從足夠低單調(diào)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。2011-12-22 11:50:2

8、3 上傳下載附件 (14.24 KB) 圖7 窗口比較器電路及傳輸特性 (a)窗口比較器；(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(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。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） 及反相輸入

9、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，VAVB；在t1t2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。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (9 KB) 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

10、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（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，Vout輸出飽和負(fù)電壓。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (7.53 KB) 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（b）所示，它一般用作過零檢測。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (5.84 KB) 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

11、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

12、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，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。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (6.41 KB) 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。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (6.49 KB) 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

13、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。但也有一些比較器為互補(bǔ)輸出，無需上拉電阻。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (8.14 KB) 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

14、一樣（如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等）。比較器典型應(yīng)用電路這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應(yīng)用。1.散熱風(fēng)扇自動控制電路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

15、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。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (10.01 KB) 2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (3.68 KB) 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)

16、扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80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(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以下。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (9.78 KB) 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

17、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）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(shè)為05，（0到5是一個“窗口”），在此溫度范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5，則比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器（C）作報警信號。2011-8-3 09:55:16 上傳下載附件 (8.16 KB) 溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0時阻值為333.1k；5時阻值為258.3k，則按1.5V工作電壓及流過R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R