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(gè)輸入端加一個(gè)很小的信號(hào)，運(yùn)放就會(huì)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(shí)，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(shí)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(gè)模擬輸入信號(hào)ui與一個(gè)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

2、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(shí)的輸入電壓值，簡(jiǎn)稱為閾值，用符號(hào)UTH1示。估算閾值主要應(yīng)抓住輸入信號(hào)使輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的臨界條件。這個(gè)臨界條件是集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等（兩個(gè)輸入端的電流也視為零），即U+=U-。對(duì)于圖1（a）電路，UI=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（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。、任意電平比較器（俘零比較器）將零電平比較器中

3、的接地端改接為一個(gè)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）傳輸特性圖3電平檢測(cè)比較器信傳輸特性（a）電平檢測(cè)比較器；（b）傳輸特性電平電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但它的抗干擾能力差。也就是說，如果輸入信號(hào)因干擾在閾值附近變化時(shí)，輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)地跳變，可能使輸出狀態(tài)產(chǎn)生誤動(dòng)作。為了提高電壓比較器的抗干擾能力,下面介紹有兩個(gè)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(hào)ui逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩

4、個(gè)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(jì)算閾值并畫出傳輸特性學(xué)也樂in密沔p也3支就或圖4滯回比較器及其傳輸特性(a)反相輸入；(b)同相輸入i,正向過程正向過程的閾值為&U尺+七日_艮口出+%火+&兄2+旦3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_邑4十為2囪_%一通”昆+居&十%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(jì)算出圖

5、4(b)所示的同相滯回比較器的兩個(gè)閾值兩個(gè)閾值的差值UTH=UTHHUTH2B為回差。比較器的由上分析可知，改變R2值可改變回差大小，調(diào)整UR可改變UTH1和UTH2但不影響回差大小。即滯回傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。圖5比較器的波形變換(a)輸入波形；(b)輸出波形二2V,不會(huì)引例如，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(gè)閾值(UTH1UTH2=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,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。圖6說明滯回比較器抗干

6、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(gè)共同特點(diǎn)，即ui單方向變化(正向過程或負(fù)向過程)時(shí)，uo只跳變一次。只能檢測(cè)一個(gè)輸入信號(hào)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(hào)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u(píng)i是如圖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(gè)閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來判斷否在某兩個(gè)電平之間。20kQ%3-0十3V：V：10kDHiO1上20kQ<i*.V丁Jiokn11

7、.Ielecfarii-com*3域航支圖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(jiǎn)稱比較器）是一種常用的集成曳也。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什么是電壓比較器簡(jiǎn)單地說，電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大?。ㄒ灿袃蓚€(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，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（"+"端）及

8、反相輸入端（"-"端）,有一個(gè)輸出端Vout（輸出電平信號(hào)）c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VBVA和VB的變化如圖1（b）所示。在時(shí)間0t1時(shí),VAVB;在t1t2時(shí)，VBVA在t2t3時(shí)，VA»VB在這種T#況下，Vout的輸出如圖1（c）所示：VAVB時(shí)，Vout輸出高電平（飽和輸出）；VBVA時(shí)，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。BV*打熱V,博母弗*Vi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

9、出電平倒了一下。輸出電平變化與VAVB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VAVB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VBVA時(shí),Vout輸出飽和負(fù)電壓。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(b)所示，它一般用作過零檢測(cè)。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

10、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(gè)電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/R1)-R3/(R2+R3VA-(RF/R1)VB若R1=R2R3=RF,貝UVout=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R3RF開路)時(shí)，Vout=s。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(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，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

11、是無窮大。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)一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當(dāng)于圖3(b)中的VA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(jí)常用集電極開路結(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。噸平轉(zhuǎn)建藐通通電器圍G這里順便要指出的

12、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(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）。比較器典型應(yīng)用電路這里舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路為例來說明其應(yīng)用。1 .散熱風(fēng)扇自動(dòng)控制電路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)（NT。熱敏電阻RT粘貼在散熱

13、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80c時(shí)應(yīng)接通散熱風(fēng)扇，這80c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80c時(shí)的VA值5-£一<比。nJ-artcriSaR2與RP組成分壓器，當(dāng)

14、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。VAVTH電壓變化及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說中f楚的是在VA開始大于VTH時(shí)，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過一定時(shí)問才能把溫度降到80c以下。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；

15、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RTR1及R2、RP的電流各為0.10.5mA）。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VTHH（高閾值電壓）及VTHL（低閾值電壓），與VTHHRVTHLt匕較的電壓VA輸入兩個(gè)比較器。若VTHLS7AVTHHVout輸出高電平；若VA«VTHLVAVTHH則Vout輸出低電平，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”），在此溫度范圍時(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（UC）作報(bào)警信號(hào)。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻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R1、RT的電流約1.5uA,可求出R1的值。R1的值確定后，可計(jì)算出