電壓比較器原理新解（之一）

電壓比較器原理新解（之一）

——聽咸老師說電子電路系列之二

電壓比較器，三端元件（兩輸入端，一輸出端），輸入為模擬信號，輸出為數(shù)字信號。

一、基本電路和相關(guān)定義

1、電壓（電平）比較器的身份定義

電壓比較器是一種用來比較兩個或兩個以上模擬電平，并給出比較結(jié)果（可用數(shù)字量的1、0來表示）的功能部件?？勺鳛槟M電路和數(shù)字電路之間接口的一種電路，即模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

所有運算放大器，均處于負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)之下。一旦處于開環(huán)，因其無窮大電壓放大倍數(shù)之故，勢必使其輸出級處于“飽和”或“截止”的兩個極端狀態(tài)，而不再具備放大器的特征。但在某些應(yīng)用場合，恰恰需要利用放大器開環(huán)時輸出級所表現(xiàn)出的這種極端狀態(tài)，如將兩個或兩個以上模擬量輸入量進(jìn)行比較，將兩者（或兩者以上）的大小分別用高電平（邏輯1）和低電平（邏輯0）表示，以完成將電平差轉(zhuǎn)換為數(shù)字表的轉(zhuǎn)換。其輸入、輸出已不存在線性關(guān)系。如果有一種器件，是專業(yè)從事輸入電壓比較而輸出開關(guān)量信號的，該器件就叫做電壓比較器。

因而該類器件既不歸屬于線性（模擬）電路類別，也不歸屬于數(shù)字電路類別。從輸入看，尚具備線性電路特點；從輸出看，已為典型的數(shù)字電路特點。其身份尷尬：非線性模擬電路（又是一個矛盾性定義，既為模擬，又何來非線性？）。

比較器有模擬和數(shù)字電路的兩重特性，是集成了二者之長嗎？與二者相比，各有什么特點？它們能否相互替代呢？

圖1-1比較器和數(shù)字電路、運放電路

1）反相器

以數(shù)字電路中的TTL產(chǎn)品中的反相器為例。反相器是如何識別輸入信號的高、低電平呢？肯定有一個潛在的比較基準(zhǔn)。器件典型供電Vcc為+5V，當(dāng)輸入電壓低于1.5V（30%Vcc以下，比較基準(zhǔn)之一）時，為輸入低電平信號，此時輸出端為高電平狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓高于3.5V（60%Vcc以上，比較基準(zhǔn)之二）時，為高電平信號輸入，此時輸出端為代電平狀態(tài)；當(dāng)輸入信號在低于3.5V高于1.5V的范圍之內(nèi)，會引起識別混亂或無法識別，從而不能確定輸出狀態(tài)（因此這一輸入電壓范圍也被稱為非法信號）。

初步看來，反相器具有電壓回差范圍極大的滯回比較器特性，但1.5V和3.5V兩個動作閾值是不能變動的，且在中間有“一大片”不確定區(qū)域。更談不上動作精度，僅是大致范圍。

顯然，數(shù)字電路僅適用于對高、低電平的識別，而無法對輸入模擬信號進(jìn)行比較。

2）運放電路

在要求比較精度不是很嚴(yán)格的場所，一般運放電路也能暫時“充任”比較器的角色。而做為理想比較器：

a）比較動作閾值是穩(wěn)定的，如10mV；

b）在該閾值控制下，輸出端有確定的高、低電平變化。這要求運放電路有極大的電壓放大倍數(shù)，以使輸出級進(jìn)入切實的飽和（或截止）狀態(tài)。

如果使用運用電路來替代，由于器件的離散性，很難達(dá)到此兩點要求（運放電路更適應(yīng)于閉環(huán)工作）。

3）比較器

根據(jù)精確比較要求，采取了特定的技術(shù)措施，來專業(yè)從事電壓比較“事務(wù)”的器件，即比較器。其優(yōu)點如下：

有精確的比較動作閾值，10mV；

可以任意設(shè)置比較基準(zhǔn)點，夸張點兒說，在供電電壓范圍以內(nèi)的任意一個點，都可以設(shè)置為比較基準(zhǔn)點，如0V地電平、0.45V、6.8V等，這在數(shù)字電路是無法做到的（圖1-1中采用RP整定基準(zhǔn)比較電壓，就是為了說明這一點）。

輸出端為確定的高、低電平狀態(tài)，即輸出級能實實在在的工作于飽和或截止?fàn)顟B(tài)（這是相關(guān)措施所保障的）。專用開路集電極輸入型比較器，可以多路輸出端并聯(lián)輸出，這是運放電路所根本無法做到的。

2、提出創(chuàng)意原理符號和簡要定義

電壓比較器內(nèi)部含輸入級、中間放大器和輸出級電路，我們需要掌握的是輸入端和輸出端之間的關(guān)系，由此分析電路原理和找到故障檢測方法。如前述，運算放大器開環(huán)應(yīng)用時，即為（不太精確的）電壓比較器。但放大器的比較特性并不理想，專業(yè)的設(shè)計和專業(yè)的性能需要由專業(yè)器件來保障，在應(yīng)用到電壓比較器的場所，大多還是采用專用的電壓比較器。其中，集電極開路輸出級（又稱OC門輸出級）型專用電壓比較器的應(yīng)用尤為廣泛，在變頻器電路中，通常用到的僅為14腳（四比較器）和8腳（雙比較器）兩種器件，其代表器件型號為LM339、LM393，引腳功能見圖1-2。本文專就這兩種器件進(jìn)行講解。

圖1-2電壓比較器原理框圖與引腳功能

8腳（雙比較器）的引腳排列同8腳運放器件是相同的。14腳略有不同，輸出端集中在1、2、13、14腳，供電端為3、12腳。剩余腳為輸入腳，奇數(shù)腳為同相輸入端，偶然腳為反相輸入端。其引腳功能是不難記憶的。

電壓比較器的供電腳特意標(biāo)注為V+/Vcc、V-/GND，說明其電源供給是較為靈活的，可以單電源供電，如+5V或+12V、+15V等，也可以雙電源供電，如±15V、±12V等。

3、電壓比較器的電路構(gòu)成

（1）電壓比較器符號及基本電路

同運放原理的講解一樣，將輸出級電路搬到經(jīng)典電壓比較器符號的外部（創(chuàng)意原理符號），再進(jìn)而確定兩輸入端和輸出端（或輸出級）的對應(yīng)關(guān)系，則其工作原理就呼之欲出了。

圖1-3常規(guī)電壓比較器符號、創(chuàng)意原理符號與應(yīng)用電路

從常規(guī)符號（圖1-3中a圖）看，電壓比較器也為三端元件，即兩輸入端，一輸出端。其輸入、輸出的關(guān)系為：

當(dāng)IN+>IN-時，OUT端為高電平“1”；

當(dāng)IN-<IN+時，OUT端為低電平“0”。

這也是做為電壓比較器原理及故障判斷的一個根本原則。

從創(chuàng)間原理符號（圖1-3中b圖）看，當(dāng)IN->IN+時，內(nèi)部輸出級晶體管Q導(dǎo)通，輸出端相當(dāng)于與供電負(fù)端短接，因而輸出低電平“0”，此低電平可能為0V，也可能是-15V（和供電負(fù)端電平相關(guān)）。

因電路為開路集電極輸出形式，故輸出端需加上位電阻R，以形成高電平“1”輸出。

從應(yīng)用電路（圖1-3中c圖）看，當(dāng)當(dāng)IN+>IN-時，內(nèi)部Q截止，OUT端變?yōu)楦唠娖?。此時輸出端高電平的幅度完全取決于上拉Vcc的電平幅度。如Vcc為+5V，電路輸出高電平則為+5V；如Vcc為+15V，電路輸出高電平則為+15V。

此處輸出端上接電源Vcc，既可以是電壓比較器的供電電源，也可以是（共地的）另外的電壓級別。做為模－數(shù)轉(zhuǎn)換（接口）電路，為適應(yīng)數(shù)字（或MCU器件）的供電電源要求，電壓比較器輸出端多經(jīng)上拉電阻R接+5V電源（DSP器件，上接電阻則接入+3.3V電源正端）。

（2）輸出端電路形式

當(dāng)比較器供電為±15V雙電源（比如直接采用運放器件的電源供電），或輸出端上拉電源為+15V，而輸出端又要與后級（+5V供電數(shù)字電路系統(tǒng)）電路相連接時，那么輸出級外圍電路就要妥善完成前后級電路電平銜接的任務(wù)了。

電壓比較器的后級電路為MCU芯片時，MCU對輸入信號有3項要求：

輸入信號幅度不大于+5V；

因MCU為單電源供電，不要負(fù)的輸入信號；

只要電壓信號，不要電流信號。

圖1-4電壓比較器輸出端電路形式

圖1-4中a電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R接+5V，實現(xiàn)了前后級電平的自然對接，無須采用輸出電平鉗位等相關(guān)措施。

圖1-4中b電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R也接+15V，電路的高電平輸出幅度超出后級電路的承受能力，此處加單向鉗位二極管D1以限制最高輸入電平（將輸出高電平鉗位在+5V電源電平附近），或由分壓電路將輸出電平進(jìn)行衰減。由電壓接法可知，當(dāng)當(dāng)IN+>IN-時，輸出端變?yōu)楦唠娖剑蒁1的嵌位作用，使輸出端電壓為+5V+D1的導(dǎo)通管壓降（一般約為0.6V左右）≈+5.6V。

圖1-4中c電路，比較器供電為±15V雙電源，輸出端上拉電阻R接+15V。電壓輸出端的高電平為+15V，而低電平為-15V，二者都不符合后級電路的輸入電平要求。一般采用添加R2限流電阻和雙向錯位二極管D1、D2的方法，進(jìn)行輸出端電壓鉗位。將電壓比較器輸出的±15V高、低電平嵌位成-0.6V~+5.6V左右的電壓信號（換言之，即將輸出信號嵌位于0和+5V的供電電源電壓范圍以內(nèi)）。

（3）輸入端基準(zhǔn)電壓的來源

針對最基本的電壓比較器——單級比較器來說，IN+和IN-兩個輸入端，必定要有其一做為比較基準(zhǔn)端，另一端則做為信號電壓輸入端?；鶞?zhǔn)電壓通常由以下幾種方式生成（以下圖例將電壓比較器恢復(fù)為常規(guī)符號）：

1）直接由+5V電源（或±15V）電源經(jīng)電阻分壓取得；

2）由專用基準(zhǔn)電壓源或三端穩(wěn)壓器取得；

3）由運算放大器生成。

圖1-5電壓比較器基準(zhǔn)電壓的來源

如上圖1-5所示，基準(zhǔn)（比較）電壓可由供電電源經(jīng)電阻分壓取得；亦可由基準(zhǔn)電壓源或三端穩(wěn)壓器取得更為精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓；圖1-5中的c電路，是由運放N1取得-2.5V基準(zhǔn)電壓后，送入電壓比較器N2的反相輸入端做為比較基準(zhǔn)的。

由圖1-5可看出：

輸入信號即可進(jìn)入反相輸入端，也可進(jìn)入同相輸入端。

比較