电压比较器和运算放大器的基本知识.doc

3 XZ y+ K! d, A2 P- B3 R. _7 / 1 Z+ R# B$ _电压比较器和运算放大器的基本知识8 o |8 B: I0 B8 c ?一、电压比较器的基本知识& L2 S; 5 r% 7 电压比较器已经广泛的应用在各种的控制电路和保护电路中；特别是在现代的液晶、等离子平板电视中，更是普片应用。在平板电视中特别是故障率较高的开关电源、驱动电路、背光板电路中的保护电路比比皆是；对电路的安全、保护起到极大的作用，同样给我们的维修也带来一个提升；必须了解、掌握电压比较器的原理、工作方式才能顺利的、成功的完成故障的维修，下面简单的介绍一些电压比较器的必备知识。5 R 0 % m F0 u L# / Y4 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，哪一个电压低；并在输出端以高电平或低电平表示比较的结果来。) N0 , J4 I; v5 q既然是把两个电压进行比较；并且有一个比较结果的输出端，那么这个比较器就必须有3个端子（除了供电及接地）；两个进行比较模拟电压的输入端；一个显示比较结果的输出端，图1所示就是一个在电路图上常用的电压比较器的符号& E. m) H+ 5 y% G 8 d T1 3 Uj3 J$ L2 d( E9 N# D4 O 0 r# O# E j2 P: o! n! A, E6 w# J; d) mt 图1 1 g: r; G4 i) a6 C5 I本文图1的符号中；左边是两个输入端；其中一个有“+”号标志的称为同相输入端；有“”号标志的称为反相输入端；这两个端子输入需要进行比较的模拟电压。右边是一个输出端，输出比较的结果。: W) O5 o. v% z! T6 r两个输入端之间电位的高低和输出端电平的高低关系如下：% e& L! e1 E$ N7 Z$ r9 G4 j) g当同相输入端电压高于反相输入端电压时：输出端为高电平。# & i) |; z i2 k当同相输入端电压低于反相输入端电压时：输出端为低电平。: t, f+ l S* V: c( t J) S一般常用的比较器的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选 3-15K）。这种输出称为OC输出(Open-Collector)即集电极开路输出；图2虚线框内所示是BA10393内部电路原理图；图中显示；输出端的晶体管Q6的集电极在内部是开路状态；没有和任何地方连接；在具体应用时需要如图3所示在电源和集电极之间，连接一只上拉电阻；或者如图4所示连接一个分压电路（电源可以直接是本电压比较器的VCC,也可以是另外的单独电源+B；+B电压可以根据需要选取不同的电压值）。 ? f 2 L# c1 F- h l3 ) n2 X8 A! c8 v3 |4 q2 ) p1 g 图2g/ L8 Y4 L; c5 i2 W% x9 T& O% ! B4 K D* F6 R2 m2 L1 e; H0 ?# ; b( _3 9 v1 K6 K! T- p0 a1 J. m) / l 图3 图48 C& C. f0 Zo) i电压比较器的工作特性：! k/ ! ! y+ & z! B, K. u+ v7 Z& P以图5、为例做一个实验以了解电压比较器的特性；% a1 ?; C/ Z+ C; V4 0 R6 e; Z1 m T1 R2 N ( O7 A# r# r& c5 w+ 1 ?7 E) x8 o( v2 W7 N+ ?1 + k0 c& K 图5 图6* O/ W+ ZN J* b在图5中电压比较器的同相输入端被由R1、R2组成的分压电路设定为3V（这就是比较器的基准电压），电压比较器的反相输入端连接在一个电位器的动臂上，电位器的两端连接于6V电压上面，下端为0V上端为6V。8 b- w6 F. i* BK# H. j在图5中电压比较器的同相输入端被由R1、R2组成的分压电路设定为3V（这就是比较器的基准电压），电压比较器的反相输入端连接在一个电位器的动臂上，电位器的两端连接于6V电压上面，下端为0V上端为6V。* B& / e3 & _: 8 V! p- s+ 此时把电位器的动臂置于电位器的最下端（图中电位器下端虚线箭头所指部位）；这时电压比较器的反相输入端电压即为0V。在这种状态下；电压比较器的同相输入端电压高于反向输入端电压；输出为高电平。这时逐步的向上移动电位器的动臂（图中箭头方向），此时：电压比较器反向输入端的电压逐步上升；当电位器的动臂移动到3V位置时；反向输入端的电压也上升到3V，此时；同相输入端的电压（3V）等于反相输入端的电压；此时；输出端的电压仍然维持原来的高电平不变；只有电位器的动臂继续上移；当反向输入端的电压超过同相输入端的电压；即大于3V时；输出端的高电平迅速跃变为低电平。9 S+ k/ / u5 $ - F ; c8 P3 t电压比较器的灵敏度都非常的高；当在上述情况下；当电位器的动臂上升；反向输入端电压只要超过同相输入端电压0.005V（5mV）时；电压比较器的输出端电平就从高电平迅速转换为低电平；根据不同的电压比较器的型号这个反转的电压略有不同；但是都在2mV至10mV以内。 # f* 1 o5 R7 k1 p( Y* 同样也可以把电位器的动臂置于电位器的最上端；图6所示；这时电压比较器的反相输入端电压即为6V。在这种状态下；电压比较器的同相输入端电压低于反向输入端电压；输出为低电平。这时逐步的向下移动电位器的动臂（图中箭头方向），此时：电压比较器反向输入端的电压逐步下降；当电位器的动臂下降到3V位置时；反向输入端的电压也下降到3V，此时；同相输入端的电压（3V）等于反相输入端的电压；此时；输出端的电压仍然维持原来的低电平不变；只有电位器的动臂继续下降；当反向输入端的电压低于同相输入端的电压；即小于3V时；输出端的高电平迅速跃变上升为高电平。4 W o/ l- B+ D8 T1 jJ% F+ R U+ q e6 y/ # l: y4 W( z/ r. Q B; y5 g! N% P AE4 A 图7/ | f- C2 z! S6 s当然；也可以把反相输入端设置为：基准电压输入端；同相输入端连接到电位器的动臂上，这样当电位器的动臂仍然按图5 的过程变化时；输出端电平的变化则完全和图5相反。以适应不同的保护控制电路的应用。8 D9 P4 y3 RnOC输出的优越性：/ x# h( x5 D2 J5 Q1 K# d1、 可以任意的设定输出电平；只要改变+B电压的大小，那么输出端的高、低电平的变化就可以在选定的+B和0V两个状态变换（此时R3的阻值也要适当改变）。1 B7 % K) U+ n9 C. 2、 输出端可以直接推动光耦或者发光二极管。只要根据不同的用途；适当的选择+B电压的大小，就可以在保护控制电路中或者指示电路中控制光耦的动作和发光二极管的亮度；图8所示7 c4 j( C+ G1 B7 g1 w% . E0 U/ n3 h# H7 9 v8 K, d7 ) H6 A* O0 1 g0 I9 U x: m/ i2 rX( * 4 l0 q6 P t( J: q / F, r: C( q, Y. I1 W2 v. K , x+ R3 j: C2 N! R4 h! z# T; i l& e; L7 J( q3 h, j4 O* T$ 图80 B0 W; v, |* k3 z0 z电压比较器的种类比较多，相对于其它类型的集成电路，电压比较器的电路则简单的多，所以往往把多只独立的电压比较器封装在一块集成电路中；共用一个VCC及接地端。* P m+ ( B/ D( S ?在应用时；可以任意的应用其中的某一只或全部电压比较器电路。例如型号为LM339的电压比较器就是内部封装了4只电压比较器电路的4电压比较器集成电路，LM393电压比较器就是内部封装了2只电压比较器电路的2电压比较器集成电路，在设计电路时；可以根据需要选用，图9所示；就是4电压比较器LM339和2电压比较器LM393的内部电压比较器的排列方式和引脚功能。, g2 f( I% x9 o5 i0 , / l, x2 w1 v8 E. Si, W4 M ! L# 4 C Q) l# m! : 5 _. n) q2 Y5 o& s3 i i& T2 G # d5 C k1 x LM339 LM393) z$ P& h) m5 9 U: q 图9; r0 v* r0 e, Hx1 U+ A0 k( Q在本书介绍三星KLS-320VE背光板电路一章中；保护电路应用了两块电压比较器集成电路；IC102及IC502，型号是BA10393 这是罗姆公司（ROHM）的产品，这是一块双电压比较器集成电路，内部有两只独立的电压比较器电路，完成了背光板电路中的；背光灯管断路保护、背光灯管欠电流工作保护及背光灯管高压过压保护的作用。3 v- a, v3 r0 H8 + r图9为BA10393电压比较器的外形图及引脚功能。. Y1 c) ) Q3 u% C# * d- Qp8 A+ w% O7 o0 V! S2 |* | 5 % 3 i+ I& r+ L3 n& F6 b 图9* oA8 d8 ) G二、运算放大器的基本知识：9 T/ 1 e7 p4 y) Y2 h: W在了解了上面的电压比较器的基本知识后，对于运算放大器的了解就容易多了。1 o- W* t$ t5 Z* U Y. & s3 j上面介绍的电压比较器电路，输入端是对两个模拟的电压进行比较；比较的结果以高、低电平在输出端表示。电压比较器的输出端实际就等效是一个“开关”。要求的就是这个输出的“开关”反映要快、要灵敏。我们可以简单的看成电压比较器就是一个模拟电压控制的“开关”。主要应用在控制、保护等电路中。 T5 N; A, V5 z7 hL. k, 运算放大器；是一个实实在在的模拟信号的放大电路，它的输入端输入一个变化的模拟量（例如音频信号、或者一个线性变化的直流电压）；在输出端就输出一个幅度放大的但是其波形完全相同的不失真的信号（输出信号波形各个部分的比例和输入信号波形各个部分的比例相同）。所谓冠于：“运算”两字；是输出信号是输入信号经某种数学运算的结果；就是输出信号的各个部分是输入信号对应的各个部分的倍数关系（就好像输出信号各个部分的电压幅度是输入部分各个部分的的乘积结果）；好像是把信号的幅度进行了乘法运算一样。也就是说运算放大器是一个优秀的线性放大电路。7 L& U- N+ j& / c. v6 t9 r运算放大器是由晶体管等放大元件组成，晶体管等放大元件的本身就是非线性元件，要用非线性的放大器件做成线性的放大器困难是多多的。运算放大器的组成采用了很多的措施完成信号基本上接近线性的放大。7 V# v8 y5 l5 d7 2 Y运算放大器的核心是一个具有恒流源的差分放大器，由于恒流源的作用尽量的保证晶体管的工作点，能在晶体管特性曲线比较线性的一段工作，并且采用了深度的负反馈使整个运算放大电路对信号具有较好的线性放大。一个运算放大器为了保证有一定的增益，都是采用多级直流放大器的组合，在制造时就在一个芯片上完成，以集成电路运算放大器的形式出现；保证了良好的耦合特性及稳定性。所以运算放大器就是高质量的模拟放大器的代名词。2 Y j; n- 8 a/ e! v2 Y广泛用于模拟电子电路、仪器以及模拟计算机中，也可以接成不同的电路形式，应用非常广泛，在早期是用在模拟计算机中也曾做加法器、乘法器用。) O! c8 u+ a7 D8 h6 + N. 3 o! M# o$ A- O b A: l2 f+ i& D7 8 1 F6 |/ n6 l 图10$ Q9 6 o8 f7 g+ 4 g1 O% k4 i由于运算放大器的核心是一个差分放大器，所以就有两个输入端，和一个输出端，其在电路图上的表示符号，引脚的位置和电压比较器一样；图10所示；两个输入端和输出的关系也有同相输入端和反相输入端的称呼。这两个输入端都可以输入信号（对称的差分信号）；也可以，一个输入端设定为基准电压，一个输入端输入模拟信号，图11是运算放大器LM358内部的电路原理图，可以看出比上面的电压比较器复杂的多，而且并不是OC输出，图12是该运算放大器的引脚图，LM358内部有两只独立的运算放大器电路，也可以各自单独运用。 v8 3 s. P2 P运算放大器既然能把信号进行放大，显然我们用他来代替电压比较器作为电压比较用也是没有问题的，就有许多电路的电压比较电路就采用了运算放大器电路完成的。不过运算放大器作为电压比较器使用；其灵敏度、反映速度都要差的多，还是不要这样替代用的为好，, 6 i8 p+ D: x, S但是电压比较器是绝对不能作为运算放大器用的。5 n, Q/ i+ W) U, |2 z在一般的电路原理图上运算放大器和电压比较器，光从符号上很难区分图纸上表示的是运算放大器还是电压比较器，只能通过对电路的分析，进行判断。( T# q& t; K: H- ?# H4 z L x7 a3 c9 h7 y y7 Q8 |, B! V1 a4 z7 w p& M ; l7 C9 / g3 g V) s 图11 图12* s1 z8 y! M