比较器工作原理及应用（2020年7月整理）.pdf

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1、 1 电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警 器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于 V/F 变换电路、A/D 变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器 电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型 工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。 什么是电压比较器 简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也 有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高， 如图 1 所示。图 1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端 Vout(输出电平信号)。另 外有电源 V

2、+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压 VA，反相 端输入 VB。VA 和 VB 的变化如图 1(b)所示。在时间 0t1 时， VAVB；在 t1t2 时，VBVA；在 t2t3 时，VAVB。在这种情 况下，Vout 的输出如图 1(c)所示：VAVB 时，Vout 输出高电平(饱 和输出)；VBVA 时，Vout 输出低电平。根据输出电平的高低便可 知道哪个电压大。 2 如果把 VA 输入到反相端，VB 输入到同相端，VA 及 VB 的电压变化仍然如图 1(b)所示，则 Vout 输出如图 1(d)所示。与图 1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与 VA、VB 的输入端

3、有关。 图 2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。 如果它的 VA、 VB 输入电压如图 1(b)那样，它的输出特性如图 2(b)所示。VBVA 时，Vout 输出饱和负电压。 3 如果输入电压 VA 与某一个固定不变的电压 VB 相比较， 如图 3(a)所示。此 VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这 参考电压是 0V(地电平)，如图 3(b)所示，它一般用作过零检测。 比较器的工作原理 比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看 作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所 以开发出了专门的比较器集成电路。 4 图 4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路

4、，输入电压 VA 经分 压器 R2、R3 分压后接在同相端，VB 通过输入电阻 R1 接在反相端， RF 为反馈电阻， 若不考虑输入失调电压， 则其输出电压 Vout 与 VA、 VB 及 4 个电阻的关系式为： Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。 若 R1=R2， R3=RF， 则 Vout=RF/R1(VA-VB)， RF/R1 为放大器的增益。 当 R1=R2=0(相 当于 R1、R2 短路)，R3=RF=(相当于 R3、RF 开路)时，Vout=。 增益成为无穷大， 其电路图就形成图 4(b)的样子， 差分放大器处于开 环状态，它就是比较器电路。

5、实际上，运放处于开环状态时，其增益 并非无穷大，而 Vout 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不 可能是无穷大。 从图 4 中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电 路处于开环状态的差分放大器电路。 同相放大器电路如图 5 所示。如果图 5 中 RF=，R1=0 时，它就变成与图 3(b)一样的比较器电路了。图 5 中的 Vin 相当于 图 3(b)中的 VA。 5 比较器与运放的差别 运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运 放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压 摆率较高(使比较器响应速度更快)。另外，比较器的输出级常用集电 极开路结构， 如图 6 所

6、示， 它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动 不同电源电压的负载，应用上更加灵活。但也有一些比较器为互补输 出，无需上拉电阻。 这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要 求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运 放的参数相同。在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。如在 A/D 变换器电路中要求采用精密比较器电路。 由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数 (电特性参数)与运放的参数项基本一样(如输入失调电压、 输入失调电 流、输入偏置电流等)。 6 比较器典型应用电路 这里举两个简单的比较器电路为例来说明其应用。 1.散热风扇自动控制电路 一些大功率器件或

7、模块在工作时会产生较多热量使温度 升高，一般采用散热片并用风扇来冷却以保证正常工作。这里介绍一 种极简单的温度控制电路，如图 7 所示。负温度系数(NTC)热敏电阻 RT 粘贴在散热片上检测功率器件的温度(散热片上的温度要比器件 的温度略低一些)，当 5V 电压加在 RT 及 R1 电阻上时，在 A 点有一 个电压 VA。当散热片上的温度上升时，则热敏电阻 RT 的阻值下降， 使 VA 上升。RT 的温度特性如图 8 所示。它的电阻与温度变化曲线 虽然线性度并不好，但是它是单值函数(即温度一定时，其阻值也是 一定的单值)。如果我们设定在 80时应接通散热风扇，这 80即 设定的阈值温度 TTH

8、，在特性曲线上可找到在 80时对应的 RT 的 阻值。R1 的阻值是不变的(它安装在电路板上，在环境温度变化不大 时可认为 R1 值不变)，则可以计算出在 80时的 VA 值。 7 R2 与 RP 组成分压器，当 5V 电源电压是稳定电压时(电 压稳定性较好)，调节 RP 可以改变 VB 的电压(电位器中心头的电压 值)。VB 值为比较器设定的阈值电压，称为 VTH。 设计时希望散热片上的温度一旦超过 80时接通散热风 扇实现散热，则 VTH 的值应等于 80时的 K 值。一旦 VAVTH， 则比较器输出低电平， 继电器 K 吸合， 散热风扇(直流电机)得电工作， 使大功率器件降温。VA、VT

9、H 电压变化及比较器输出电压 Vout 的 特性如图 9 所示。这里要说清楚的是在 VA 开始大于 VTH 时，风扇 工作， 但散热体有较大的热量， 要经过一定时问才能把温度降到 80 以下。 8 从图 7 可看出，要改变阈值温度 TTH 十分方便，只要相应地 改变 VTH 值即可。VTH 值增大，TTH 增大；反之亦然，调整十分方 便。只要 RT 确定，RT 的温度特性确定，则 R1、R2、RP 可方便求 出(设流过 RT、R1 及 R2、RP 的电流各为 0.10.5mA)。 2.窗口比较器 窗口比较器常用两个比较器组成(双比较器)， 它有两个阈值电 压 VTHH(高阈值电压)及 VTHL

10、(低阈值电压)，与 VTHH 及 VTHL 比 较的电压 VA 输入两个比较器。若 VTHLVAVTHH，Vout 输出高 电平；若 VAVTHH，则 Vout 输出低电平，如图 10 所示。 图 10 是一个冰箱报警器电路。 冰箱正常工作温度设为 05， (0到 5是一个“窗口”)，在此温度范围时比较器输出高电平(表 示温度正常)； 若冰箱温度低于 0V 或高于 5， 则比较器输出低电平， 此低电平信号电压输入微控制器(C)作报警信号。 9 温度传感器采用 NTC 热敏电阻 RT，已知 RT 在 0时阻值为 333.1k；5时阻值为 258.3k，则按 1.5V 工作电压及流过 R1、 RT 的电流约 1.5 uA， 可求出 R1 的值。 R1 的值确定后， 可计算出 0 时的 VA 值为 0.5V(按图 10 中 R1=665k时)，5时的 VA 值为 0.42V，则 VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若设 R2=665k，则按图 11，可求出流过 R2、R3、R4 电阻的电流 I=(1.5V-0.5V)/665k =0.0015mA，按 R4I/=0.42V，可求出 R4=280k再按 0.5V=(R3+R4)0.0015mA， 则可求出 R3=53.3k。 本例中两个比较器采用低工作电压、低功耗、互补输出 双比较器 LT1017，无需外接上拉电阻。