4種常用的電壓比較器

電壓比較器通常由集成運(yùn)放構(gòu)成，與普通運(yùn)放電路不同的是，比較器中的集成運(yùn)放大多處于開環(huán)或正反饋的狀態(tài)。只要在兩個輸入端加一個很小的信號，運(yùn)放就會進(jìn)入非線性區(qū)，屬于集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用范圍。在分析比較器時，虛斷路原則仍成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應(yīng)。

01

過零比較器

電壓比較器是將一個模擬輸入信號ui與一個固定的參考電壓UR進(jìn)行比較和鑒別的電路。

參考電壓為零的比較器稱為零電平比較器，也叫過零比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種零電位比較器，如圖1(a)、(b)所示。

圖1 過零比較器(a)反相輸入(b)同相輸入

通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比較器的工作特性。

閾值電壓(又稱門檻電平)是使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時的輸入電壓值，簡稱為閾值，用符號UTH表示。

傳輸特性是比較器的輸出電壓uo與輸入電壓ui在平面直角坐標(biāo)上的關(guān)系。

畫傳輸特性的一般步驟是：先求閾值，再根據(jù)電壓比較器的具體電路，分析在輸入電壓由最低變到最高(正向過程)和輸入電壓由最高到最低(負(fù)向過程)兩種情況下，輸出電壓的變化規(guī)律，然后畫出傳輸特性。

02

俘零比較器

將零電平比較器中的接地端改接為一個參考電壓UR(設(shè)為直流電壓)，由于UR的大小和極性均可調(diào)整，電路成為任意電平比較器或稱俘零比較器。

圖2 任意電平比較器及傳輸特性

(a)任意電平比較器(b)傳輸特性

圖3 電平檢測比較器傳輸特性

(a)電平檢測比較器(b)傳輸特性

電平電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但它的抗干擾能力差。也就是說，如果輸入信號因干擾在閾值附近變化時，輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復(fù)地跳變，可能使輸出狀態(tài)產(chǎn)生誤動作。為了提高電壓比較器的抗干擾能力，下面介紹有兩個不同閾值的滯回電壓比較器。

03

滯回電壓比較器

滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器、遲滯比較器。這種比較器的特點是當(dāng)輸入信號ui逐漸增大或逐漸減小時，它有兩個閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。

滯回比較器也有反相輸入和同相輸入兩種方式。

UR是某一固定電壓，改變UR值能改變閾值及回差大小。

以圖4(a)所示的反相滯回比較器為例，計算閾值并畫出傳輸特性。

圖4 滯回比較器及其傳輸特性

(a)反相輸入(b)同相輸入

正向過程

正向過程的閾值為：

形成電壓傳輸特性的abcd段。

負(fù)向過程

負(fù)向過程的閾值為：

形成電壓傳輸特性上defa段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱之為滯回電壓比較器。

利用求閾值的臨界條件和疊加原理方法，不難計算出圖4(b)所示的同相滯回比較器的兩個閾值：

兩個閾值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2稱為回差。

由上分析可知，改變R2值可改變回差大小，調(diào)整UR可改變UTH1和UTH2，但不影響回差大小。即滯回比較器的傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。

圖5 比較器的波形變換

(a)輸入波形(b)輸出波形

例如，滯回比較器的傳輸特性和輸入電壓的波形如圖6(a)、(b)所示。根據(jù)傳輸特性和兩個閾值(UTH1＝2V, UTH2=–2V)，可畫出輸出電壓uo的波形，如圖6(c)所示。從圖(c)可見，ui在UTH1與UTH2之間變化，不會引起uo的跳變。但回差也導(dǎo)致了輸出電壓的滯后現(xiàn)象，使電平鑒別產(chǎn)生誤差。

圖6 說明滯回比較器抗干擾能力強(qiáng)的圖

(a)已知傳輸特性

(b)已知ui波形

(c)根據(jù)傳輸特性和ui波形畫出的uo波形

04

窗口電壓比較器

電平比較器和滯回比較器有一個共同特點，即ui單方向變化(正向過程或負(fù)向過程)時，uo只跳變一次。只能檢測一個輸入信號的電平，這種比較器稱為單限比較器。

雙限比較器又稱窗口比較器。它的特點是輸入信號單方向變化(例如ui從足夠低單調(diào)升高到足夠高)，可使輸出電壓uo跳變兩次，其傳輸特性如圖7(b)所示，它形似窗口，稱為窗口比較器。窗口比較器提供了兩個閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來判斷ui 是否在某兩個電平之間。

圖7 窗口比較器電路及傳輸特性

(a)窗口比較器(b)傳輸特性

審核編輯 ：李倩