比較器的定義和原理 比較器的應(yīng)用電路解析

一、比較器的定義和原理

比較器是能夠?qū)崿F(xiàn)比較兩個(gè)輸入端的電流或電壓的大小這一功能的電路或者裝置。它有兩個(gè)輸入端Vi+和Vi-，一個(gè)輸出端Vout。輸入端接的是模擬信號，輸出端輸出是的數(shù)字信號，輸出要么是高要么就是低，具體的高電平是任意由外接的電壓幅值來決定的。

圖1 比較器的符號

選擇其中輸入端作為參考點(diǎn)（REF)來進(jìn)行比較，例如選擇同相輸入端V2作為參考,當(dāng)反相輸入端V1大于V2時(shí),Vout輸出低電平;當(dāng)V1小于V2時(shí),Vout輸出高電平。由此可知輸出端的狀態(tài)代表著兩個(gè)輸入之間的凈差的符號,參考電壓V2則稱為比較器的閾值電壓UT。由于比較器實(shí)際上是1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC),因而是ADC中的一個(gè)基本元件。

電壓比較器的輸出電壓uo與輸入電壓ui的函數(shù)關(guān)系稱為其電壓傳輸特性，即uo=f?(ui)。由于比較器與開環(huán)下的集成運(yùn)放特性比較相似，不妨先回顧下運(yùn)放的電壓傳輸特性，如圖2所示。

圖2 運(yùn)放的電壓傳輸特性

比較器的電壓傳輸特性與運(yùn)放的區(qū)別主要在于由于比較器是開環(huán)輸出，沒有負(fù)反饋也沒有相位補(bǔ)償，因此其翻轉(zhuǎn)速度比運(yùn)放快。其次，由于比較器一般為開集輸出，因此其輸出高電平電壓不由電源軌而是由外電路決定。一般如果忽略其翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，其電壓傳輸特性近似如圖3。

圖3 比較器的電壓傳輸特性

除了上文提到的輸出高低電平UOH&UOL、閾值電壓UT之外，比較器電壓傳輸特性還有第三大要素——ui變化且經(jīng)過UT時(shí)uo躍變的方向。圖4表明參考電壓加在反相端和同相端時(shí)輸出電壓躍變方向是相反的。

圖4 參考電壓分別加在反相端(左)和同相端(右) ?

下圖所示為TI某比較器的原理圖，可以發(fā)現(xiàn)輸入級采用的也是差分放大電路，而輸出級與運(yùn)放有所不同——采用的集電極開路的形式。

圖5 TI某比較器的原理圖(來自官網(wǎng)的datasheet)

二、比較器與運(yùn)放的聯(lián)系和區(qū)別

1.結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

1）相較于運(yùn)放采用推挽輸出的方式，比較器采用開集輸出，需要加上拉電阻。

圖6 比較器輸出上拉

2）比較器為了加快響應(yīng)速度，中間級很少，也沒有內(nèi)部的頻率和相位補(bǔ)償。如圖4，可以發(fā)現(xiàn)該比較器沒有中間級而僅有輸入級和輸出級。

2.開環(huán)與閉環(huán)

運(yùn)放一般工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài)（線性區(qū)），主要作用是對輸入端信號進(jìn)行放大；比較器工作在開環(huán)狀態(tài)（非線性區(qū)），主要是對輸入端的信號進(jìn)行比較判別，翻轉(zhuǎn)速度比較快。

在對速度要求不高的時(shí)候，運(yùn)放可以工作于開環(huán)當(dāng)做比較器使用，但輸出會受到電源軌的限制因此需要注意電平匹配問題。反過來電壓比較器在大部分情況下不能作為運(yùn)放使用，主要是由于比較器沒有做相位補(bǔ)償閉環(huán)容易不穩(wěn)定。

3.輸出信號的形式與響應(yīng)速度

1)相較于運(yùn)放輸出的是模擬信號，比較器輸出的是高低電平對應(yīng)數(shù)字的0和1，集電極開路使其可兼容TTL或CMOS。

2)相較于運(yùn)放，比較器的響應(yīng)速度比較快，這也是由于其內(nèi)部沒有做相位補(bǔ)償?shù)木壒省?/p>

三、比較器的應(yīng)用

1.過零比較器

過零比較器就是將參考電壓設(shè)置為Uref=0

圖7 過零比較器（反相端作為參考）圖8 過零比較器（同相端作為參考）

2.滯回比較器

對于上述簡單的比較器，當(dāng)兩個(gè)輸入端信號極為接近時(shí)，由于輸入電壓的毛刺就會導(dǎo)致輸出產(chǎn)生連續(xù)跳變，這就是所謂的振鈴效應(yīng)。為了解決這個(gè)問題人們設(shè)計(jì)了滯回比較器，由于滯回比較器的輸入電壓逐漸增大或者減小時(shí)，有兩個(gè)不相等的閾值，其傳輸特性具有滯回曲線的形狀，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。滯回比較器可以分為上行滯回(即同相輸入，反相參考)和下行滯回(即反相輸入，同相參考), 根據(jù)參考電壓是否為零又可分為有參考電壓的和無參考電壓。

圖9 上行滯回比較器（不帶參考電壓）

圖10 下行滯回比較器（不帶參考電壓）

圖11? 上行滯回比較器 (帶參考電壓)

圖12? 下行滯回比較器 (帶參考電壓)

3.窗口比較器

采用了兩個(gè)并聯(lián)的比較器來確定信號是否介于兩個(gè)參考電壓之間。輸入信號只有在這兩個(gè)閾值之間時(shí)才會被認(rèn)為是有效的信號。若輸入信號高于上限或低于下限，則窗口比較器會發(fā)出警報(bào)或觸發(fā)相應(yīng)的邏輯電路。具體作用如下：

檢測輸入信號：窗口比較器可以對輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并判斷該信號是否在指定的閾值范圍內(nèi)。這種功能在許多自動控制系統(tǒng)和傳感器中都需要使用到，例如在溫度、壓力、光強(qiáng)等方面的測量。

限幅效應(yīng)：窗口比較器可以提供限制輸入信號幅值的效果，當(dāng)輸入信號超出預(yù)設(shè)的上限或下限時(shí)，輸出信號將發(fā)生變化。這種功能可以在模擬信號處理、音頻處理和視頻信號處理中得到廣泛應(yīng)用。

信號觸發(fā)：窗口比較器還可以被用作信號觸發(fā)器，當(dāng)輸入信號進(jìn)入或離開預(yù)設(shè)的閾值范圍時(shí)，輸出信號將觸發(fā)相關(guān)的事件或過程。這種功能可用于電子設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制和自動化流程等領(lǐng)域。

圖13 窗口比較器原理圖

簡單分析不難發(fā)現(xiàn)上面原理圖中比較器窗口對應(yīng)的兩個(gè)閾值分別為1/3*VCC和2/3*VCC。如果信號處于窗口范圍內(nèi)，則輸出高電平。如果信號電平超出窗口范圍，則輸出低電平。如下圖所示。

圖14? 窗口比較器瞬態(tài)仿真結(jié)果

4.AD轉(zhuǎn)換

除上述三種經(jīng)典用法之外，比較器還可以作為ADC中的一個(gè)典型元件。例如在比較器的一個(gè)輸入端連接磁性傳感器或光電二極管，另一輸入端接參考電壓，用傳感器驅(qū)動比較器的輸出端產(chǎn)生合適驅(qū)動邏輯電路的高低電平。

圖15 光敏電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換典型電路圖

　　審核編輯：湯梓紅