電壓比較器原理分析

1、電壓比較器原理分析第一章緒論電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路， 是組成非正弦波發(fā)生電路的基本 單元電路，在測量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文主要講述各種電壓比較器及其對 應(yīng)的應(yīng)用電路，講述各種電壓比較器的特點及其電壓傳輸特性，同時闡述電壓比較器的 組成特點和分析方法。電壓比較器是集成運放非線性應(yīng)用電路，他常用于各種電子設(shè)備中，那么什么是電壓比較器呢？下面我給大家介紹一下， 它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相 比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較 器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。圖1圖1所示為一最簡單白電壓

2、比較器，UR為參考電壓，加在運放的同相的輸入端，輸入 電壓UI加在反相的輸入端。第二章 電壓比較器原理圖電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。因此，可用電壓比較器作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。集成電壓比較器雖然比集成運放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小，但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時間短，而且一般不需要加限幅電路就可以直接驅(qū)動TTL、CMO和ECL等集成數(shù)字電路；有些芯片帶負(fù)載能力強，還可以直接驅(qū)動繼電器和指示燈。按一個器件上所含有電壓比較器的個數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器；按功能，可分為通用性高速型低功耗型低電壓型和高精度型電壓比較器；按輸出方

3、式，可分為普通集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出三種情況。集電極（或漏極）開路輸出電壓必須在輸出端接一個電阻至電源，若一個為高電平，則另一個必為低電平。此外，還有的集成電壓比較器帶有選通斷，用來控制電路是處于工作狀態(tài)，還是處于禁止?fàn)顟B(tài)。所謂工作狀態(tài)，是指點亂編電壓傳輸特性工作；所謂禁止?fàn)顟B(tài)，是指電路不按電壓傳輸特性工作，從輸出端看進去相當(dāng)于開路，即處于高阻狀態(tài)。下面是對具體電壓比較器的功能電路分析：（A）電路圖1傳輸特性當(dāng)UI<UR時，運 放輸出高電平，穩(wěn)壓管DZ反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 U乙 即 U0= UZ當(dāng)UI>UR時，運放輸出低電平，DZ正向?qū)ǎ?/p>

4、輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD 即 U0= -UD因此，以UR為界，當(dāng)輸入電壓UI變化時，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低 電位。表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線， 稱為傳輸特性。 圖 3 1（B） 為 （A）圖比較器的傳輸特性。常用的電壓比較器有過零電壓比較器、 具有滯回特性的過零比較器、 滯回電壓比較器，窗口（雙限）電壓比較器。LM339常用來構(gòu)成各種電壓比較器集成電壓比較器簡介：作用：可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。應(yīng)用：作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。特點：比集成運放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比?。坏漤憫?yīng)速度快，傳輸延遲時間短，

5、而且不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動TTL、CMOS口 ECL等集成數(shù)字電路；有些芯片帶負(fù)載能力很強，還可直接驅(qū)動繼電器和指示燈。第三章 電壓比較器工作原理及應(yīng)用電壓比較器（ 以下簡稱比較器） 是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術(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)測電路、 振蕩器及壓控振蕩器電路、 過零檢測電路等。 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。3.1 什么是電壓比較器簡單地說，電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小 （ 也有兩個數(shù)字電壓比較的，這里不介紹 ） ，并判斷出其中哪一個電壓高

6、，如圖 1 所示。圖 1（A） 是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“十端)，有一個輸出端vouT俞出電平信號)。另外有電源V+及地(這是個單電源比較器)，同相端輸入電壓VA反相端輸入VR VA和VB的變化如圖1(B)所示。在時間0T1時，VA>VB在T1T2時，VB>VA在T2T3時，VA>VB在這種情 況下，VOUT勺輸出如圖1所示：VA>VBM, VOUT俞出高電平(飽和輸出)；VB>VA寸，VOUT輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。V+圖1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俞出

7、如圖1(D)所示。與圖1(C)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變 化與VA VB的輸入端有關(guān)。圖2是雙電源(正負(fù)電源)供電的比較器。如果它的VA VB輸入電壓如圖1(B)那樣, 它的輸出特性如圖2(B)所示。VB>VA寸，VOUT俞出飽和負(fù)電壓。v+圖2如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓 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所示，它一般用作過零檢測3.2 電壓比較器的工作原理比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(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

8、路。圖4(A)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器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 個電阻的關(guān)系式為： VOUT=(1+RF/R1 )R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若 R1=R2 R3=RF 貝U VOUT=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=o(相當(dāng)于R3 RF開路)時，VOUT=0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。實際上，

9、運放處于開環(huán)狀態(tài)時，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，也不可能是無窮大。圖4從圖4中可以看出，比較器電路就是一個運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，它就變成與圖3(B) 樣的比較器電路了。圖5中的VIN相當(dāng)于圖3(B)中的VA3.3 比較器與運放的差別運放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓圍更大，壓擺率較高（使比較器響應(yīng)速度更快）。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖 6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源

10、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輸出，無需上拉電，"LMWX X電平整接身給就屯制這里順便要指出的是，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、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數(shù)與運放的參數(shù)相同。在要求不高時可采用通用運 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。由于比較器與運放的部結(jié)構(gòu)基本相同， 其大部分參數(shù)（電特性參數(shù)）與運放的參數(shù)項 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 ）。第四章比較器典型應(yīng)用電路分析這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應(yīng)用。4.1 散熱風(fēng)扇自動控制電路為了更好地控制風(fēng)扇，以使風(fēng)扇能夠良好的

11、工作，需達到以下兩個要求一：總冷卻需求首先必須了解三個關(guān)鍵因素以得到總冷卻需求：必須轉(zhuǎn)換的熱量( 即溫差 DT)抵消轉(zhuǎn)換熱量的瓦特數(shù)(W)移除熱量所需的風(fēng)量(CFM)總冷卻需求對于有效地運作系統(tǒng)甚為重要。有效率的系統(tǒng)運作必須提供理想的運作條件，使所有系統(tǒng)的組件均能發(fā)揮最大的功能與最長的使用年限。下列幾個方式，可用來選擇一般用的風(fēng)扇馬達：1. 算出設(shè)備部產(chǎn)生的熱量。2. 決定設(shè)備部所能允許的溫度上升圍。3. 從方程式計算所需的風(fēng)量。4. 估計設(shè)備用的系統(tǒng)阻抗。5. 根據(jù)目錄的特性曲線或規(guī)格書來選擇所需的風(fēng)扇。如果已知系統(tǒng)設(shè)備部散熱量與允許的總溫度上升量，可得到冷卻設(shè)備所需的風(fēng)量。以下為基本的熱轉(zhuǎn)

12、換方程式:H = CPX W<AT其中H = 熱轉(zhuǎn)換量CP = 空氣比熱< T = 設(shè)備上升的溫度W = 流動空氣重量我們已知W = CFMKD其中 D = 空氣密度經(jīng)由代換后，我們得到 :再由轉(zhuǎn)換因子（CONVERSIOFACTORS）代入海平面空氣的比熱與密度，可得到以下的散熱方程式：CFM = 3160X 千瓦/ F然后得到下列方程式：其中Q冷卻所需的風(fēng)量P：設(shè)備部散熱量（即設(shè)備消耗的電功率）TF:允許部溫升（華氏）TC:允許部溫升（攝氏）DT = DT1與DT2之溫差溫升與所需風(fēng)量之換算表KWH0.511.522.533.544.55DTDTCT50901835537088

13、1051231411581764581203959789811713715617619540722244668811013215417619522035632550751001251511762012262513054295988117146176205234264 2932545357510514117621124628131635120364488132176220264308351396439152759117176234293351410469527586101888176264351439527615704791879591763515277048791055123014061582

14、1758例一：設(shè)備部消耗電功率為500瓦，溫差為華氏20度，下列為其計算結(jié)果:例二：設(shè)備部消耗電功率為 500瓦，溫差為攝氏10度:二：全部系統(tǒng)阻抗系統(tǒng)特性曲線空氣流動時， 氣流在其流動路徑會遇上系統(tǒng)部零件的阻擾， 其阻抗會限制空氣自由流通。壓力的變化即測量到的靜壓，以英時水柱表示。為了確認(rèn)每一槽排（SLOT）之冷卻瓦特數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計或制造廠商不但必須有風(fēng)扇的有效風(fēng)扇特性曲線以決定其最大風(fēng)量，而且必須知道系統(tǒng)的風(fēng)阻曲線。系統(tǒng)部的零件會造成風(fēng)壓的損失。此損失因風(fēng)量而變化，即所謂的系統(tǒng)阻抗。系統(tǒng)特性曲線之定義如下：DP = KQN其中 K = 系統(tǒng)特定系數(shù)Q =風(fēng)量（立方!）N = 擾流因素， 1

15、< N < 2平層氣流時，N = 1亂流氣流時，N = 2一些大功率器件或模塊在工作時會產(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。這里介紹一種極簡單的溫度控制電路，如圖 7 所示。負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率器件的溫度（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，在A點有一個電壓VA當(dāng)散熱片上的溫度上升時，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，其阻值也是一定的單值） 。如果我們設(shè)定在80時應(yīng)接通

16、散熱風(fēng)扇，這80即設(shè)定的閾值溫度TTH在特性曲線上可找到在80c時對應(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)境溫度變化不大時可認(rèn)為 R1 值不變 ） ，則可以計算出在80時的VA值。圖7圖8R2與RPffl成分壓器,當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時（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)計時希望散熱片上的溫度一旦超過 80c時接通散熱風(fēng)扇實現(xiàn)散熱，則 VTH的值 應(yīng)等于80c時的K值。一旦VA>VTH則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風(fēng)扇（直 流電機）得電工作，使大功率器件降溫。 VA VTH電

17、壓變化及比較器輸出電壓 VOUT勺特 性如圖9所示。這里要說清楚的是在 VA開始大于VTH時，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大 的熱量，要經(jīng)過一定時問才能把 溫度降到 80 度以下。圖9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；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RK R1及R2、RP的電流各為0.10.5MA）。4.2 窗口比較器窗口比較器常用兩個比較器組成（雙比較器），它有兩個閾值電壓VTHHe閾值電壓） 及VTHL砥閾值電壓），與VTHHM VTHL比較的電壓VA輸入兩個比較

18、器。若 VTHLC VAC VTHH VOUT俞出高電平；若 VA<VTHL VA>VTHH則VOUT俞出低電平，如圖10所示。圖10是一個冰箱報警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為 05C, （0C到5c是一個“窗 口”），在此溫度圍時比較器輸出高電平（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，此低電平信號電壓輸入微控制器 （MC）作報警信號。圖10其中， 將熱敏電阻轉(zhuǎn)換成具有溫度特性的電阻功能，即將非電量轉(zhuǎn)換成電量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可用如下公式：UA=R1/R2+RA,RA 為熱敏電阻的阻值；溫度傳感器采用NTCB敏電阻RT,已知RT在0c時阻值為333.1KQ; 5c時阻值為 258.3KQ,則按1.5V工作電壓及流過 R1、RT的電流約1.5 UA可求出R1的值。R1的 值確定后，可計算出0c時的VA值為0.5V（按圖10中R1=665©時），5c時的VA值為 0.42V,則 VTHL=0.42V VTHH=0.5V 若設(shè) R2=665K 則按圖 11,可求出流過 R2、