電壓比較器及其應(yīng)用

1、電壓比較器及其應(yīng)用在最常用的簡(jiǎn)單集成電路中，電壓比較器僅次于排名第一的運(yùn)算放大器而排名第二。各類教科書及相關(guān)出版物中可以經(jīng)?？吹疥P(guān)于運(yùn)算放大器的理論、設(shè)計(jì)和使用方法的知識(shí)內(nèi)容，而關(guān)于比較器的知識(shí)內(nèi)容明顯較少。我們?cè)谥械嚷殬I(yè)技術(shù)教學(xué)中，補(bǔ)充了一些知識(shí)內(nèi)容，彌補(bǔ)這些不足。一、電壓比較器簡(jiǎn)介電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器。其功能是比較兩個(gè)輸入電壓（或者說(shuō)一個(gè)基準(zhǔn)電壓和一個(gè)待比較電壓）的大小，并用輸出電壓的高電平或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓比較的結(jié)果：當(dāng)“+”輸入端（同相輸入端，下同）電壓高于“一”輸入端（反向輸入端，下同）時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“一”輸入端時(shí)，

2、輸出為低電平。電壓比較器可以用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形的產(chǎn)生和變換等。利用電壓比較器可將正弦波變換為同頻率的方波或矩形波。電壓比較器的輸入是線性量，而輸出是開(kāi)關(guān)量（高電平或低電平）。一般應(yīng)用中，可以用線性運(yùn)算放大器，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來(lái)使用。所有的運(yùn)算放大器都可用作電壓比較器，例如LM324、LM358、“A741、TL081、OP27等，這些都可以做成電壓比較器。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器，切換速度快，延遲時(shí)間小，可用在專門的電壓比較場(chǎng)合。電壓比較器有的使用單電源工作，如圖1所示。有的單電源和雙電源都可以使用，圖2所示使用的就是雙電源。我們經(jīng)

3、常使用的四電壓比較器LM339,既可使用最大值36V的單電源，也可使用土18V的雙電源。電壓比較器的輸出端，有的自身可以輸出高電平及低電平，例如輸出級(jí)采用推挽式結(jié)構(gòu)的；而有的電壓比較器輸出級(jí)是一只集電極開(kāi)路的三極管，稱作集電極開(kāi)路輸出，參見(jiàn)圖3。也有場(chǎng)效應(yīng)管漏極開(kāi)路輸出型，與集電極開(kāi)路輸出型類似。對(duì)于集電極開(kāi)路輸出和漏極開(kāi)路輸出的電壓比較器，使用時(shí)要連接上拉電阻R，輸出端才可能有高電平，如圖4所示。上拉電阻R一端連接在比較器的輸出端，另一端則有兩種選擇：一是連接在芯片自身的電源端Vcc上，如圖4a,二是連接至另一獨(dú)立電源，如圖4b中的Vcc2上。其中第二種連接方法可以用來(lái)改變傳輸電平，用低Vr

4、clVi：i：2GNDGNDVccVoutIVout電平邏輯控制高電平邏輯，或者相反。二、電壓比較器應(yīng)用中的問(wèn)題普通電壓比較器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，例如圖5所示的電壓比較器電路，我們向“一”輸入端施加一個(gè)緩慢變化的信號(hào)Vin，當(dāng)該信號(hào)在與“+”輸入端的基準(zhǔn)信號(hào)vref的幅值接近或相等時(shí)，即使vin信號(hào)所帶電壓噪聲級(jí)別非常低，也可能引起比較器輸出端狀態(tài)的多次轉(zhuǎn)換，如圖6所示。這是由于噪聲信號(hào)可能有正有負(fù)，疊加在vin信號(hào)之上，使“一”輸入端上的合成信號(hào)會(huì)在vref值的上下變動(dòng)，導(dǎo)致比較器開(kāi)關(guān)數(shù)次。當(dāng)這種比較器被應(yīng)用于諸如高速計(jì)數(shù)器等電路時(shí)，就會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)。這種稱作單門限電壓

5、比較器的電路，只能應(yīng)用在對(duì)輸出誤跳變不敏感的場(chǎng)合，或者電路中對(duì)輸出有其它鎖定措施的應(yīng)用中。而對(duì)有些應(yīng)用則要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。利用遲滯比較器的滯后功能則可以解決這一問(wèn)題。除了滯后功能，電壓比較器還可用作窗口比較器等。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。三、電壓比較器的應(yīng)用電路1. 單門限電壓比較器圖7a是一個(gè)基本的單門限電壓比較器，圖中R是上拉電阻。在“+”輸入端（同相輸入端）接一個(gè)參考電壓Vf（有時(shí)也稱閾值電壓），在“一”輸入端（反向輸入端）連接輸ref入信號(hào)，即待比較電壓V.,當(dāng)輸入電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出為高電平Vh,反之則輸出inoh低電平V】。其傳輸特性見(jiàn)圖7b。ol7單門限電壓比較器的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)圖

6、8，這個(gè)電路被用于一種儀器的過(guò)熱檢測(cè)。LM339內(nèi)含四個(gè)電壓比較器，屬于集電極開(kāi)路輸出型，這里選用其中的一個(gè)比較器。電路采用12V單電源。在“”輸入端10腳加一個(gè)固定的基準(zhǔn)電壓V f,這個(gè)電壓由電阻R1和R2分壓決定，其值為refV *=R2/(R1+R2)X12V；“+”輸入端11腳連接ref一個(gè)熱敏電阻Rt,該腳電壓由R3和Rt分壓確定。Rt的阻值隨溫度變化，溫度升高時(shí)，阻值減小，11腳電壓降低，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，11腳電壓低于10腳，比較器輸出端13腳由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，這種電平轉(zhuǎn)換可用于報(bào)警或保護(hù)。2. 遲滯比較器電路遲滯比較器實(shí)際上是具有正反饋的電壓比較器，如圖9a所示。圖中Rf

7、是正反饋電阻,Vf是基準(zhǔn)電壓(閾值電壓)，V.是輸入信號(hào)電壓或稱待比較電壓。該比較器的輸出只有兩refin種狀態(tài)：高電平Vh和低電平Vol，Vh可等于或接近等于正電源電壓，而低電平可認(rèn)為是零電壓或接地，圖9b是其傳輸特性。下面對(duì)該電路進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。當(dāng)輸出端為低電平Vol時(shí)，流經(jīng)反饋回路的電流iRVrefVol)/(R2+Rf)，由于電壓比較器的輸入端電流很小僅為nA級(jí)，所以上列計(jì)算式已將其忽略，此時(shí)電流從基準(zhǔn)電壓Vref端流向輸出端；當(dāng)輸出端為高電平Voh時(shí)，流經(jīng)反饋回路的電流Ih=(VohVref)/(Rf+R2)，此時(shí)電流從輸出端流向基準(zhǔn)電壓Vref端。由于正反饋電路的作用，遲滯比較器有兩

8、個(gè)閾值電壓，即高閾值電壓vTH和低閾值電壓VTL，其具體數(shù)值是：VTH=Vref+I/RZ，VTL=VrefI|XR2。滯后電壓=VTHVTL。在遲滯電壓比較器中，只要噪聲電壓引起輸入信號(hào)電壓的變化幅度不超過(guò)滯后電壓即圖9b中的V,就能保證輸出狀態(tài)的穩(wěn)定。以上分析是針對(duì)那些具有推挽式輸出級(jí)的電壓比較器，而對(duì)于那些帶有集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路輸出級(jí)的比較器而言，上拉電阻器和負(fù)荷電阻器共同形成了一個(gè)分壓器，輸出高電平voh不一定能達(dá)到與電源電壓相等或相近的數(shù)值，可能會(huì)有所降低，這在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)引起3. 窗口電壓比較器相對(duì)于單限比較器而言，窗口電壓比較器也叫雙限比較器。單限比較器和遲滯電壓比較器在輸入電

9、壓Uinin單一方向變化時(shí)，其輸出電壓只跳變一次，因而不能檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)給定閾值電壓之間，而窗口電壓比較器則具有這種功能。圖10a是用輸出端為集電極開(kāi)路的四電壓比較器LM339構(gòu)成的窗口比較器，共使用LM339內(nèi)部的兩個(gè)比較器，它們的輸出端直接并聯(lián)，使用共同的上拉電阻R。當(dāng)任意一個(gè)比較器輸出低電平（實(shí)際上是輸出三極管處于飽和狀態(tài)）或兩個(gè)比較器均輸出低電平時(shí)，窗口比較器輸出端為低電平，只有兩個(gè)比較器均輸出高電平（實(shí)際上是輸出三極管處于截止?fàn)顟B(tài)）時(shí)，窗口比較器才輸出高電平；因此，兩個(gè)輸出端具有正邏輯中的邏輯與的關(guān)系。窗口電壓比較器有兩個(gè)閾值電壓，即高閾值電壓Vth和低閾值電壓Vtl，如圖10所示。THTLVth和Vtt的數(shù)值可以根據(jù)需要任意設(shè)置，它們之間的電壓范圍就是窗口電壓范圍。由圖可THTL見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)電壓V.數(shù)值在高閾值電壓Vth和低閾值電壓Vtt之間即vthv.Vtt時(shí)，inTHTLTHinTL上下兩個(gè)比較器均輸出高電平，輸出端vt為高電位；當(dāng)輸入信號(hào)電壓V.數(shù)值在窗口電壓out.n之外，即v.Vth或v.VVtl時(shí)，輸出端為低電平。其傳輸特性見(jiàn)圖10b。inTHinTL4. 小結(jié)單限比較器：電路只有一個(gè)閾值電壓，輸入電壓V.逐漸增大或減小過(guò)程中輸出電壓只.n產(chǎn)生一次躍變。遲