电压比较器及其应用

1、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“十”输入端（同相输入端，下同）电压高于“一”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“一”输入端

2、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

3、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GND-VccGKD源，也可使用土 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。较器电路，我们向”输入端施加一个缓慢变化的信号Vn,当该信号在与“ 十 ”输入端上拉电阻 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

4、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，

5、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“ 十 ”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 Vn,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Ml。其传输特性见图 7b。b)的阻值随温度变化，温度升高时，阻值减小，11脚

6、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R是正反馈电阻， Mef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VOi , 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I l=(VrefVOl)/(R2+R f),由于电压比较器 的输入端电流很小仅为 nA

7、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I h=(VohMef)/(R f+R2),此时电流 从输出端流向基准电压 Vref端。Vth和低阈值电压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Vtl,其具体数值是：VTH=Vef+IhX R2, VTL=Mef I l X R2。滞后电压=V-h-Vtlo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

8、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Mh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在思。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Un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它们的输出端直接电压比较器LM339构成的窗口比较器， 共使用LM339内部的两个比较器, 并联，使用共同的上拉电阻 Ro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

9、）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 Vn数值在高阈值电压 Vth和低阈值电压 Vtl之间即Vth> Vn>Vn_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 Vn数值在窗口电压之外，即Vn>VTH或Vin VVTl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。迟滞比较器： 电路有两个阈值电压，输入电压Vin 从小变大过程中（见图9b ）使输出电压VOut产生跃变的阈值电压VTH,与输入电压 Vi