電壓比較器的工作原理與常見簡單應(yīng)用電路分析

電壓比較器的工作原理是什么？我們先來看看電壓比較器的作用。

電壓比較器的基本功能是能對兩個輸入電壓的大小進(jìn)行比較，判斷出其中哪一個比較大。比較的結(jié)果用輸出電壓的高和低來表示。電壓比較器可以采用專用的集成比較器，也可以采用運算放大器組成。由集成運算放大器組成的比較器，其輸出電平在最大輸出電壓的正極限值和負(fù)極限值之間擺動，當(dāng)要和數(shù)字電路相連接時，必須增添附加電路，對它的輸出電壓采取箝位措施，使它的高低輸出電平，滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。

常見的兩種比較器電路

1．基本過零比較器（零電平比較器）

2．任意電平比較器

背景知識：

電壓比較器在電路結(jié)構(gòu)、點性能等方面與運放基本相同，而其符號表示也與運放完全一致，有同相和反向兩個輸入端，一個輸出端，開環(huán)增益用A表示，電壓比較器的功能是比較兩個模擬信號的大小，并在輸出端得到高電平或低電平。理想的電壓比較器，其特性可表示為:當(dāng)V+大于V,輸出高電平:而當(dāng)V-大于V+，輸出低電平

電壓比較器的工作原理

電壓比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)換到高電平，或從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，需要一定的時間(決定電壓比較器的瞬態(tài)響應(yīng))，其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調(diào)電壓，因此它的輸入端將出現(xiàn)不確定電壓，該不確定電壓將直接影響電壓比較器的靈敏度(對輸入電壓判別的靈敏度)。對于高性能的電壓比較器來說，應(yīng)具有高的開環(huán)增益A、低的失調(diào)電壓和高的壓擺率。

顯然，一般的運算放大器如果工作在開環(huán)狀態(tài)，也可以作為電壓比較器之用。但在運放電路設(shè)計時，著重考慮其輸出與輸入之間的線性傳輸特性以及頻率補償?shù)姆€(wěn)定性。因此，運放的響應(yīng)時間和延遲時間往往不是很大，開環(huán)增益也不是很高。若需要高速或高靈敏度的電壓比較器，采用運放來代替電壓比較器，在要求比較高的設(shè)計中通常是不合適的，而需要根據(jù)具體的要求設(shè)計電壓比較器。在設(shè)計電壓比較器時，其直流特性的設(shè)計原則基本上與運放電路一致，而頻率特性的設(shè)計與運放電路不同，通常電壓比較器在開環(huán)條件下工作，因此在電路內(nèi)部不需要考慮放大器閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補償。

一般的電壓比較器采用四級結(jié)構(gòu)，前兩級和差分運算放大器基本相同，只是把運放中的補償電容去掉，后兩級使用CMOS反向器，這里的CMOS反向器的作用需要作一下說明:前一個反向器(電壓比較器的第三級)并不是工作在高低電平狀態(tài)，而是工作在傳輸特性曲線中的轉(zhuǎn)折區(qū)(接近闡值電壓)。被當(dāng)做放大器使用，對差分信號起放大作用;后一個反向器(電壓比較器的第四級)在反向的同時，使電壓達(dá)到滿幅輸出。

典型的電壓比較器電路圖如下所示：

在上面的電路中，電壓比較器前兩級的元器件參數(shù)可以使用前面設(shè)計的放大器的參數(shù)，但有一點需要注意，那就是當(dāng)電壓比較器的兩個輸入端沒有差分信號時，需要將電壓比較器的第二級輸出調(diào)至能使第一個反向器工作在放大狀態(tài)的電壓，如果反向器中的PMOS管和NMOS管的參數(shù)對稱，即CMOS反向器的特性曲線上的轉(zhuǎn)折區(qū)中點電壓(閡值電壓)是2.5V(高電平為5V，低電平為零)，使用Candence的DC掃描工具，可以對M6管的寬w(或長1)進(jìn)行直流掃描，將反向器前第二級的電壓調(diào)整到2.5V，使反向器工作在需要的放大狀態(tài)。