电压比较器原理分析

电 压 比 较 器 原 理 分 析 第一章 绪论 电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电 路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应 用。本文主要讲述各种电压比较器及其对应的应用电路，讲述各种电压比较器的特点及 其电压传输特性，同时阐述电压比较器的组成特点和分析方法。 电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常 用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下，它将一 个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产 生跃变， 相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟 与数字信号转换等领域。 图 1 图 1 所示为一最简单的电压比较器， UR 为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压 UI 加在反相的输入端。 第二章 电压比较器原理图 电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即 只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此，可用电压比较器作为模拟电路和 数字电路的接口电路。集成电压比较器虽然比集成运放的开环增益低，失调电压大，共 模抑制比小，但 其响应速度快，传输延迟时间短，而且一般不需要加限幅电路就可以直 接驱动 TTL、 CMOS 和 ECL 等集成数字电路；有些芯片带负载能力强，还可以直接驱 动继电器和指示灯。 按一个器件上所含有电压比较器的个数，可分 为单、双和四电压比较器；按功能，可分为通用性高速型低功耗型低电压型和高精 度型电压比较器；按输出方式，可分为 普通集电极（或漏极）开路输出或互补输出三 种情况。集电极（或漏极）开路输出电压必须在输出端接一个电阻至电源，若一个为高 电平，则另一个必为低电平。 此外，还有的集成电压比较器带有选通断，用 来控制电路 是处于工作状态，还是处于禁止状态。所谓工作状态，是指点乱编电压 传输特性工作；所谓禁止状态，是指电路不按电压传输特性工作，从输出端看进去相当 于开路，即处于高阻状态。 下面是对具体电压比较器的功能电路分析： (A)电路图 1 传输特性当 UI UR 时，运放输出高电平，稳压管 DZ 反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管 的稳定电压UZ，即 UO UZ 当 UI UR 时，运放输出低电平， DZ 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降 UD，即 UO UD 因此，以 UR 为界，当输入电压 UI 变化时，输出端反映出两 种状态，高电位和低电位。 表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线 ，称为传输特性。 图 3 1(B)为 (A)图比较器的传输特性。 常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞 回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。 LM339 常用来构成各种电压比较器 集成电压比较器简介： 作用：可将模拟信号转换成二值信号，即只有 高电平和低电平两种状态的离散信号。 应用：作为模拟电路和数字电路的接口电路。 特点：比集成运放的开环增益低，失调电压大 ，共模抑制比小；但其 响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可 直接驱动 TTL、 CMOS 和 ECL 等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接 驱动继电器和指示灯。 第三章 电压比较器工作原理及应用 电压比较器 (以下简称比较器 )是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路 、自动控制电路、测量技术，也可用于 V/F 变换电路、 A/D 变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零 检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的 电压比较器。 3.1 什么是电压比较器 简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较 其大小 (也有两个数字电压比较的，这里不介绍 )，并判断出其中哪一个电压高，如图 1 所示。图 1(A)是比较器，它有两个输入端：同相输入端 (“ +” 端及反相输入端“ -”端 )，有一个输出端 VOUT(输出电平信号 )。另外有电源 V+及地 (这是个单电源比较器 )，同相端输入电压 VA，反相端输入 VB。 VA 和 VB 的变化如图 1(B)所示。在时间 0 T1 时， VAVB；在 T1 T2 时， VBVA；在 T2 T3 时， VAVB。在这种情况下， VOUT 的输出如图 1 所示： VAVB 时， VOUT 输出高电平 (饱和输出 )； VBVA 时， VOUT 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪 个电压大。 图 1 如果把 VA 输入到反相端， VB 输入到同相端， VA 及 VB的电压变化仍然如图 1(B)所示，则 VOUT 输出如图 1(D)所示。与图 1(C)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与 VA、 VB 的输入端有关。 图 2 是双电源 (正负电源 )供电的比较器。如果它的 VA、 VB 输入电压如图 1(B)那样，它的输出特性如图 2(B)所示。 VBVA 时， VOUT 输出饱和负电压。 图 2 如果输入电压 VA 与某一个固定不变的电压 VB 相比较，如图 3(A)所示。此 VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参 考电压是 0V(地电平 )，如图 3 所示，它一般用作过零检测。 3.2 电压比较器的工作原理 比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电 路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开 发出了专门的比较器集成 电路。 图 4(A)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电 压 VA 经分压器 R2、 R3 分压后接在同相端， VB 通过输入电阻 R1 接在反相端， RF 为反馈电阻，若不考虑输入失调电 压 ， 则 其 输 出 电 压 VOUT 与 VA 、 VB 及 4 个 电 阻 的 关 系 式 为 ：VOUT=(1+RF/R1) R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB 。若 R1=R2 ， R3=RF ，则VOUT=RF/R1(VA-VB)， RF/R1 为放大器的增益。当 R1=R2=0(相当于 R1、 R2 短路 )，R3=RF= (相当于 R3、 RF 开路 )时， VOUT=。增益成为无穷大，其电路图 就形成图4(B)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比 较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而 VOUT 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不 可能是无穷大。 图 4 从图 4 中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器 电路处于开环状态的差分放大器电路。 同相放大器电路如图 5 所示。如果图 5 中 RF=， R1=0 时，它就变成与图 3(B)一样的比较器电路了。图 5 中的 VIN 相当于图 3(B)中的 VA。 图 5 3.3 比较器与运放的差别 运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器 比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率 较高 (使比较器响应速度更快 )。另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图 6 所示，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。 但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。 图 6 这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技 术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵 敏度等，大部分参数与运放的参数相同。在要 求不高时可采用通用运放来作比较器电路。如在 A/D 变换器电路中要求采用精密比较器电路。 由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大 部分参数 (电特性参数 )与运放的参数项基本一样 (如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电 流等 )。 第四章 比较器典型应用电路分析 这里举两个简单的比较器电路为例来说明其应 用。 4.1 散热风扇自动控制电路 为了更好地控制风扇，以使风扇能够良好的工 作，需达到以下两个要求 一： 总 冷却需求 首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求 ： 必须转换的热量 (即温差 DT) 抵消转换热量的瓦特数 (W) 移除热量所需的风量 (CFM) 总冷却需求对于有效地运作系统甚为重要。有 效率的系统运作必须提供理想的运作条件，使所有系统内的组件均能发挥最大的功能 与最长的使用年限。 下列几个方式，可用来选择一般用的风扇马达 ： 1.算出设备内部产生的热量。 2.决定设备内部所能允许的温度上升范围。 3.从方程式计算所需的风量。 4.估计设备用的系统阻抗。 5.根据目录的特性曲线或规格书来选择所需的风 扇。 如果已知系统设备内部散热量与 允许的总温度上升量，可得到冷却设备所需的 风量。 以下为基本的热转换方程式： H = CPWT 其中 H = 热转换量 CP = 空气比热 T = 设备内上升的温度 W = 流动空气重量 我们已知 W = CFMD 其中 D = 空气密度 经由代换后，我们得到 : 再由转换因子 (CONVERSION FACTORS)与代入海平面空气的比热与密度，可得到以下 的散热方程式： CFM = 3160 千瓦 然后得到下列方程式： 其中 Q：冷却所需的风量 P：设备内部散热量 (即设备消耗的电功率 ) TF：允许内部温升 (华氏 ) TC：允许内部温升 (摄氏 ) DT = DT1与 DT2之温差 温升与所需风量之换算表 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： 设备内部消耗电功率为 500瓦，温差为华氏 20度，下列为其计算结果： 或 例二：设备内 部消耗电功率为 500瓦，温差为摄氏 10度： 或 二：全部系统阻抗系统特性曲线 空 气流动时，气流在其流动路径会遇上系统内部 零件的阻扰，其阻抗会限制空气自由流通。压力的变化即测量到的静压，以英吋水柱 表示。 为了确认每一槽排 (SLOT)之冷却瓦特数，系统设计或制造厂商不但必须 有风扇的有效风扇特性曲线以决定其最大风量，而且必须知道 系统的风阻曲线。系统内部的零件会造成风压的损失。此损失因风量而变化，即所谓的 系统阻抗。 系统特性曲线之定义如下： DP = KQN 其中 K = 系统特定系数 Q = 风量 (立方呎 ) N = 扰流因素， 1 N VTH，则比较器输出低电平，继电器 K 吸合，散热风扇 (直流电机 )得电工作，使大功率器件降温。 VA、 VTH 电压变化及比较器输出电压VOUT 的特性如图 9 所示。这里要说清楚的是在 VA 开始大于 VTH 时，风扇工作，但散热体有较大的热量，要经过一定时问才能把 温度降到 80 度以下。 图 9 从图 7 可看出，要改变阈值温度 TTH 十分方便，只要相应地改变 VTH 值即可。VTH 值增大， TTH 增大；反之亦然，调整十分方便。只要 RT 确定， RT 的温度特性确定，则 R1、 R2、 RP 可方便求出 (设流过 RT、 R1 及 R2、 RP 的电流各为 0.1 0.5MA)。 4.2窗口比较器 窗口比较器常用两个比较器组成 (双比较器 )，它有两个阈值电压 VTHH(高阈值电压 )及 VTHL(低阈值电压 )，与 VTHH 及 VTHL 比较的电压 VA 输入两个比较器。若 VTHL VA VTHH， VOUT 输出高电平；若 VAVTHH，则 VOUT 输出低电平，如图 10 所示。图 10 是一个冰箱报警器电路。冰箱正常工作温度设 为 0 5， (0到 5是一个“窗口” )，在此温度范围时比较器输出高电平 (表示温度正常 )；若冰箱温度低于0V 或高于 5，则比较器输出低电平，此低电平信号电压 输入微控制器 ( C)作报警信号。 图 10 其中， 将热敏电阻转换成具有温度特性的电阻功能， 即将非电量转换成电量 之间的转换关系可用如下公式： UA=R1/R2+RA,RA 为热敏电阻的阻值； 温度传感器采用 NTC 热敏电阻 RT，已知 RT 在 0时阻值为 333.1K； 5时阻值为 258.3K，则按 1.5V 工作电压及流过 R1、 RT 的电流约 1.5 UA，可求出 R1 的值。R1 的值确定后，可计算出 0时的 VA 值为 0.5V(按图 10 中 R1=665K时 )， 5时的VA 值为 0.42V，则 VTHL=0.42V， VTHH=0.5V。若设 R2=665K，则按图 11，可求出流过 R2、 R3、 R4 电阻的电流 I=(1.5V-0.5V)/6