电压比较器及其应用

电压比较器及其应用在最常用的简单集成电路中，电压比较器仅次于排名第一的运算放大器而排名第二。各类教科书及相关出版物中可以经常看到关于运算放大器的理论、设计和使用方法的知识内容，而关于比较器的知识内容明显较少。我们在中等职业技术教学中，补充了一些知识内容，弥补这些不足。一、电压比较器简介电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。其功能是比较两个输入电压（或者说一个基准电压和一个待比较电压）的大小，并用输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压比较的结果：当“”输入端（同相输入端，下同）电压高于“”输入端（反向输入端，下同）时，输出为高电平；当“”输入端电压低于“”输入端时，输出为低电平。电压比较器可以用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形的产生和变换等。利用电压比较器可将正弦波变换为同频率的方波或矩形波。电压比较器的输入是线性量，而输出是开关量（高电平或低电平）。一般应用中，可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。所有的运算放大器都可用作电压比较器，例如LM324、LM358、A741、TL081、OP27等，这些都可以做成电压比较器。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合。电压比较器有的使用单电源工作，如图1所示。有的单电源和双电源都可以使用，图2所示使用的就是双电源。我们经常使用的四电压比较器LM339，既可使用最大值36V的单电源，也可使用18V的双电源。电压比较器的输出端，有的自身可以输出高电平及低电平，例如输出级采用推挽式结构的；而有的电压比较器输出级是一只集电极开路的三极管，称作集电极开路输出，参见图3。也有场效应管漏极开路输出型，与集电极开路输出型类似。对于集电极开路输出和漏极开路输出的电压比较器，使用时要连接上拉电阻R，输出端才可能有高电平，如图4所示。上拉电阻R一端连接在比较器的输出端，另一端则有两种选择：一是连接在芯片自身的电源端Vcc上，如图4a，二是连接至另一独立电源，如图4b中的Vcc2上。其中第二种连接方法可以用来改变传输电平，用低电平逻辑控制高电平逻辑，或者相反。二、电压比较器应用中的问题普通电压比较器的结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，例如图5所示的电压比较器电路，我们向“”输入端施加一个缓慢变化的信号Vin，当该信号在与“”输入端的基准信号Vref的幅值接近或相等时，即使Vin信号所带电压噪声级别非常低，也可能引起比较器输出端状态的多次转换，如图6所示。这是由于噪声信号可能有正有负，叠加在Vin信号之上，使“”输入端上的合成信号会在Vref值的上下变动，导致比较器开关数次。当这种比较器被应用于诸如高速计数器等电路时，就会带来错误的计数。这种称作单门限电压比较器的电路，只能应用在对输出误跳变不敏感的场合，或者电路中对输出有其它锁定措施的应用中。而对有些应用则要对它进行改进。利用迟滞比较器的滞后功能则可以解决这一问题。除了滞后功能，电压比较器还可用作窗口比较器等。下面进行简要介绍。三、电压比较器的应用电路1.单门限电压比较器图7a是一个基本的单门限电压比较器，图中R是上拉电阻。在“”输入端（同相输入端）接一个参考电压Vref（有时也称阈值电压），在“”输入端（反向输入端）连接输入信号，即待比较电压Vin，当输入电压低于基准电压时，输出为高电平Voh，反之则输出低电平Vol。其传输特性见图7b。单门限电压比较器的一个具体应用实例见图8，这个电路被用于一种仪器的过热检测。LM339内含四个电压比较器，属于集电极开路输出型，这里选用其中的一个比较器。电路采用12V单电源。在“”输入端10脚加一个固定的基准电压Vref，这个电压由电阻R1和R2分压决定，其值为Vref=R2/（R1+R2）12V；“”输入端11脚连接一个热敏电阻Rt，该脚电压由R3和Rt分压确定。Rt的阻值随温度变化，温度升高时，阻值减小，11脚电压降低，当温度达到设定值时，11脚电压低于10脚，比较器输出端13脚由高电平转换为低电平，这种电平转换可用于报警或保护。2.迟滞比较器电路迟滞比较器实际上是具有正反馈的电压比较器，如图9a所示。图中Rf是正反馈电阻，Vref是基准电压（阈值电压），Vin是输入信号电压或称待比较电压。该比较器的输出只有两种状态：高电平Voh和低电平Vol，Voh可等于或接近等于正电源电压，而低电平可认为是零电压或接地，图9b是其传输特性。下面对该电路进行简单分析。当输出端为低电平Vol时，流经反馈回路的电流Il=(VrefVol)/(R2+Rf)，由于电压比较器的输入端电流很小仅为nA级，所以上列计算式已将其忽略，此时电流从基准电压Vref端流向输出端；当输出端为高电平Voh时，流经反馈回路的电流Ih=(VohVref)/(Rf+R2)，此时电流从输出端流向基准电压Vref端。由于正反馈电路的作用，迟滞比较器有两个阈值电压，即高阈值电压VTH和低阈值电压VTL，其具体数值是：VTH=Vref+IhR2，VTL=VrefIlR2。滞后电压=VTHVTL。在迟滞电压比较器中，只要噪声电压引起输入信号电压的变化幅度不超过滞后电压即图9b中的V，就能保证输出状态的稳定。以上分析是针对那些具有推挽式输出级的电压比较器，而对于那些带有集电极开路或漏极开路输出级的比较器而言，上拉电阻器和负荷电阻器共同形成了一个分压器，输出高电平Voh不一定能达到与电源电压相等或相近的数值，可能会有所降低，这在设计电路时应引起注意。3.窗口电压比较器相对于单限比较器而言，窗口电压比较器也叫双限比较器。单限比较器和迟滞电压比较器在输入电压Uin单一方向变化时，其输出电压只跳变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给定阈值电压之间，而窗口电压比较器则具有这种功能。图10a是用输出端为集电极开路的四电压比较器LM339构成的窗口比较器，共使用LM339内部的两个比较器，它们的输出端直接并联，使用共同的上拉电阻R。当任意一个比较器输出低电平（实际上是输出三极管处于饱和状态）或两个比较器均输出低电平时，窗口比较器输出端为低电平，只有两个比较器均输出高电平（实际上是输出三极管处于截止状态）时，窗口比较器才输出高电平；因此，两个输出端具有正逻辑中的逻辑与的关系。窗口电压比较器有两个阈值电压，即高阈值电压VTH和低阈值电压VTL，如图10所示。VTH和VTL的数值可以根据需要任意设置，它们之间的电压范围就是窗口电压范围。由图可见，当输入信号电压Vin数值在高阈值电压VTH和低阈值电压VTL之间即VTHVinVTL时，上下两个比较器均输出高电平，输出端Vout为高电位；当输入信号电压Vin数值在窗口电压之外，即VinVTH或VinVTL时，输出端为低电平。其传输特性见图10b。4.小结单限比较器：电路只有一个阈值电压，输入电压Vin逐渐增大或减小过程中输出电压只产生一次跃变。