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(duì)輸入信號(hào)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(cè)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(duì) 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(shí)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(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。圖1圖1所示為一最簡(jiǎn)單白電壓

2、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(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號(hào)。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(kāi)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(shí)間短，而且一般不需要加限幅電路就可以直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMO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(dòng)繼電器和指示燈。按一個(gè)器件上所含有電壓比較器的個(gè)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；按輸出方

3、式，可分為普通集電極（或漏極）開(kāi)路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。集電極（或漏極）開(kāi)路輸出電壓必須在輸出端接一個(gè)電阻至電源，若一個(gè)為高電平，則另一個(gè)必為低電平。此外，還有的集成電壓比較器帶有選通斷，用來(lái)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(kāi)路，即處于高阻狀態(tài)。下面是對(duì)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)UI<UR時(shí)，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 U乙 即 U0= UZ當(dāng)UI>UR時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，DZ正向?qū)ǎ?/p>

4、輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD 即 U0= -UD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 3 1（B） 為 （A）圖比較器的傳輸特性。常用的電壓比較器有過(guò)零電壓比較器、 具有滯回特性的過(guò)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)成各種電壓比較器集成電壓比較器簡(jiǎn)介：作用：可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號(hào)。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(kāi)環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比?。坏漤憫?yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，

5、而且不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMOS口 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(dòng)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(jiǎn)稱比較器） 是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)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(cè)電路、 振蕩器及壓控振蕩器電路、 過(guò)零檢測(cè)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(jiǎn)單地說(shuō)，電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小 （ 也有兩個(gè)數(shù)字電壓比較的，這里不介紹 ） ，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高

6、，如圖 1 所示。圖 1（A） 是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端(“十端)，有一個(gè)輸出端vouT俞出電平信號(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VR VA和VB的變化如圖1(B)所示。在時(shí)間0T1時(shí)，VA>VB在T1T2時(shí)，VB>VA在T2T3時(shí)，VA>VB在這種情 況下，VOUT勺輸出如圖1所示：VA>VBM, VOUT俞出高電平(飽和輸出)；VB>VA寸，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。V+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俞出

7、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(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寸，VOUT俞出飽和負(fù)電壓。v+圖2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所示，它一般用作過(guò)零檢測(cè)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(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。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開(kāi)發(fā)出了專門的比較器集成電

8、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(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 貝U 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=o(相當(dāng)于R3 RF開(kāi)路)時(shí)，VOUT=0增益成為無(wú)窮大，其電路圖就形成圖 4(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，

9、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。圖4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(kāi)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) 樣的比較器電路了。圖5中的VIN相當(dāng)于圖3(B)中的VA3.3 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(kāi)環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓圍更大，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(jí)常用集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，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

10、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，"LMWX X電平整接身給就屯制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 ）。第四章比較器典型應(yīng)用電路分析這里舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用。4.1 散熱風(fēng)扇自動(dòng)控制電路為了更好地控制風(fēng)扇，以使風(fēng)扇能夠良好的

11、工作，需達(dá)到以下兩個(gè)要求一：總冷卻需求首先必須了解三個(gè)關(guān)鍵因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?cái)?shù)(W)移除熱量所需的風(fēng)量(CFM)總冷卻需求對(duì)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)的組件均能發(fā)揮最大的功能與最長(zhǎng)的使用年限。下列幾個(gè)方式，可用來(lái)選擇一般用的風(fēng)扇馬達(dá)：1. 算出設(shè)備部產(chǎn)生的熱量。2. 決定設(shè)備部所能允許的溫度上升圍。3. 從方程式計(jì)算所需的風(fēng)量。4. 估計(jì)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(lái)選擇所需的風(fēng)扇。如果已知系統(tǒng)設(shè)備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)

12、換方程式:H = CPX W<AT其中H = 熱轉(zhuǎn)換量CP = 空氣比熱< T = 設(shè)備上升的溫度W = 流動(dòng)空氣重量我們已知W = CFMKD其中 D = 空氣密度經(jīng)由代換后，我們得到 :再由轉(zhuǎn)換因子（CONVERSIOFACTORS）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 = 3160X 千瓦/ F然后得到下列方程式：其中Q冷卻所需的風(fēng)量P：設(shè)備部散熱量（即設(shè)備消耗的電功率）TF:允許部溫升（華氏）TC:允許部溫升（攝氏）DT = DT1與DT2之溫差溫升與所需風(fēng)量之換算表KWH0.511.522.533.544.55DTDTCT50901835537088

13、1051231411581764581203959789811713715617619540722244668811013215417619522035632550751001251511762012262513054295988117146176205234264 2932545357510514117621124628131635120364488132176220264308351396439152759117176234293351410469527586101888176264351439527615704791879591763515277048791055123014061582

14、1758例一：設(shè)備部消耗電功率為500瓦，溫差為華氏20度，下列為其計(jì)算結(jié)果:例二：設(shè)備部消耗電功率為 500瓦，溫差為攝氏10度:二：全部系統(tǒng)阻抗系統(tǒng)特性曲線空氣流動(dòng)時(shí)， 氣流在其流動(dòng)路徑會(huì)遇上系統(tǒng)部零件的阻擾， 其阻抗會(huì)限制空氣自由流通。壓力的變化即測(cè)量到的靜壓，以英時(shí)水柱表示。為了確認(rèn)每一槽排（SLOT）之冷卻瓦特?cái)?shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)部的零件會(huì)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!）N = 擾流因素， 1

15、< N < 2平層氣流時(shí)，N = 1亂流氣流時(shí)，N = 2一些大功率器件或模塊在工作時(shí)會(huì)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(lái)冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡(jiǎn)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(cè)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(shí)，在A點(diǎn)有一個(gè)電壓VA當(dāng)散熱片上的溫度上升時(shí)，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(shí)，其阻值也是一定的單值） 。如果我們?cè)O(shè)定在80時(shí)應(yīng)接通

16、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80c時(shí)對(duì)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(shí)可認(rèn)為 R1 值不變 ） ，則可以計(jì)算出在80時(shí)的VA值。圖7圖8R2與RPffl成分壓器,當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(shí)（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(jì)時(shí)希望散熱片上的溫度一旦超過(guò) 80c時(shí)接通散熱風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱，則 VTH的值 應(yīng)等于80c時(shí)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

17、壓變化及比較器輸出電壓 VOUT勺特 性如圖9所示。這里要說(shuō)清楚的是在 VA開(kāi)始大于VTH時(shí)，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大 的熱量，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)問(wèn)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(guò)RK 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(gè)比較器組成（雙比較器），它有兩個(gè)閾值電壓VTHHe閾值電壓） 及VTHL砥閾值電壓），與VTHHM VTHL比較的電壓VA輸入兩個(gè)比較

18、器。若 VTHLC VAC VTHH VOUT俞出高電平；若 VA<VTHL VA>VTHH則VOUT俞出低電平，如圖10所示。圖10是一個(gè)冰箱報(bào)警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為 05C, （0C到5c是一個(gè)“窗 口”），在此溫度圍時(shí)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(hào)電壓輸入微控制器 （MC）作報(bào)警信號(hào)。圖10其中， 將熱敏電阻轉(zhuǎn)換成具有溫度特性的電阻功能，即將非電量轉(zhuǎn)換成電量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可用如下公式：UA=R1/R2+RA,RA 為熱敏電阻的阻值；溫度傳感器采用NTCB敏電阻RT,已知RT在0c時(shí)阻值為333.1KQ; 5c時(shí)阻值為 258.3KQ,則按1.5V工作電壓及流過(guò) R1、RT的電流約1.5 UA可求出R1的值。R1的 值確定后，可計(jì)算出0c時(shí)的VA值為0.5V（按圖10中R1=665©時(shí)），5c時(shí)的VA值為 0.42V,則 VTHL=0.42V VTHH=0.5V 若設(shè) R2=665K 則按圖 11,可求出流過(guò) R2、