電壓比較器原理分析

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；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) UI UR 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 UO UZ 當(dāng) UI UR 時，運(yùn)放輸出低電平， DZ 正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降 UD，即 UO UD 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 3 1(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?。坏?響應(yīng)速度快，傳輸延遲時間短，而且不需外加限幅電路就可 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 0 T1 時， VAVB；在 T1 T2 時， VBVA；在 T2 T3 時， VAVB。在這種情況下， VOUT 的輸出如圖 1 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。 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(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。 VBVA 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，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 = CPWT 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 = CFMD 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 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 50 90 18 35 53 70 88 105 123 141 158 176 45 81 20 39 59 78 98 117 137 156 176 195 40 72 22 44 66 88 110 132 154 176 195 220 35 63 25 50 75 100 125 151 176 201 226 251 30 54 29 59 88 117 146 176 205 234 264 293 25 45 35 75 105 141 176 211 246 281 316 351 20 36 44 88 132 176 220 264 308 351 396 439 15 27 59 117 176 234 293 351 410 469 527 586 10 18 88 176 264 351 439 527 615 704 791 879 5 9 176 351 527 704 879 1055 1230 1406 1582 1758 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： 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 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 0.1 0.5MA)。 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 VTHL VA VTHH， VOUT 輸出高電平；若 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 0 5， (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。 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 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。R1 的值確定后，可計算出 0時的 VA 值為 0.5V(按圖 10 中 R1=665K時 )， 5時的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 R2、 R3、 R4 電阻的電流 I=(1.5V-0.5V)/6