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1、电路比较器,工作原理及电路图分析,目录,电压比较器电路图浅析,03,电压比较器工作原理,02,电压比较器简介,01,电压比较器简介,01,一. 电压比较器简介,,工博士商城,电压比较器可以说是集成运放非线性应用电路，通常应用于各种 电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面让我们来对其进行简单 的了解。在工作状态下，电压比较器会将一个模拟量电压信号和一个参考 固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相 应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用 于模拟与数字信号转换等领域。总的来说，电压比较器是对输入信号 进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元
2、电路。 常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电 压比较器等。并且，电压比较器可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用 作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频 率的方波或矩形波。在一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的 情况下，构成电压比较器来使用。我们知道，运放是通过反馈回路和 输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的 电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输 入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。 电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。,一. 电压比较器简
3、介,,工博士商城,所有的运算放大器。常见的有LM324 LM358 uA741 TL081234 OP07 OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、 LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门 的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。电压比较器大致可分为两类：1.模拟比较器 将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反 之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端 接一电压基准 (代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平, 控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加 热器
4、接通.这一运放就是一个 简单的比较器,因为输入与输出同相,称为 同相比较器有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比 较器,有助于消除寄生在信号上的干扰. 2.数字比较器 用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出(或低)高电平,反之,则 输出相反的电平. 最简单的数字比较器是一位二进制数比较器,是一个异或门(或同或 门)。,电压比较器工作原理,02,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。可 用来比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压 的大小关系)：当”+”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输 出为高电平
5、；当”+”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出 为低电平；可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时 特点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断；由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成 运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是 为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，一般在电路 中接入正反馈。下面让我们来看看详细的电压比较器原理分析。,图一,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,图一所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在 运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。(a)电路图 (b)传输特性当u
6、iUR时，运放输出高电平，稳压 管Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压U Z，即uOUZ当uiUR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于 稳压管的正向压降UD，即 uoUD因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种 状态，高电位和低电位。表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特 性。 图31(b)为(a)图比较器的传输特性。常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零 比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。LM339常 用来构成各种电压比较器。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相
7、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+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，VBV A；在t2t3时，VAVB。在这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：V AVB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。如果把VA输入到反相端，V B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
8、。输出电平变化与VA、 VB的输入端有关。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,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。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,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。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,电压比较器是由运算放大器发展而来的，电压比较器电路可以看作是运算放大器 的一种应用电路。由于电
9、压比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的电压比较 器集成电路。图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，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
10、分放大器处于开环状态，它就是比 较器电路。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。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,电压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，电 压比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，
11、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。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,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)。,二. 电压比较器工作原理,,工博士商城,由此我们可以总结出以下结论：电压比较器的输出端由低
12、电平转换到高电平，或从高电平转换到低电平 时，需要一定的时间(决定电压比较器的瞬态响应)，其次由于电压比较器的 增益是有限的，并且存在失调电压，因此它的输入端将出现不确定电压，该 不确定电压将直接影响电压比较器的灵敏度(对输入电压判别的灵敏度)。对 于高性能的电压比较器来说，应具有高的开环增益A、低的失调电压和高的 压摆率。显然，一般的运算放大器如果工作在开环状态，也可以作为电压比 较器之用。但在运放电路设计时，着重考虑其输出与输入之间的线性传输特 性以及频率补偿的稳定性。因此，运放的响应时间和延迟时间往往不是很大， 开环增益也不是很高。若需要高速或高灵敏度的电压比较器，采用运放来代 替电压比
13、较器，在要求比较高的设计中通常是不合适的，而需要根据具体的 要求设计电压比较器。在设计电压比较器时，其直流特性的设计原则基本上 与运放电路一致，而频率特性的设计与运放电路不同，通常电压比较器在开 环条件下工作，因此在电路内部不需要考虑放大器闭环稳定工作的频率补偿。 一般的电压比较器采用四级结构，前两级和差分运算放大器基本相同，只是 把运放中的补偿电容去掉，后两级使用CMOS反向器，这里的CMOS反向器 的作用需要作一下说明:前一个反向器(电压比较器的第三级)并不是工作在高 低电平状态，而是工作在传输特性曲线中的转折区(接近阐值电压)。被当做 放大器使用，对差分信号起放大作用;后一个反向器(电压
14、比较器的第四级)在 反向的同时，使电压达到满幅输出。,电压比较器电路图分析,03,三. 电压比较器电路图分析,,工博士商城,在上面的电路中，电压比较器前两级的元器件参数可以使用前面设计的放大器的参数，但有 一点需要注意，那就是当电压比较器的两个输入端没有差分信号时，需要将电压比较器的第二级 输出调至能使第一个反向器工作在放大状态的电压，如果反向器中的PMOS管和NMOS管的参数 对称，即CMOS反向器的特性曲线上的转折区中点电压(阂值电压)是2.5V(高电平为5V，低电平为 零)，使用Candence的DC扫描工具，可以对M6管的宽w(或长1)进行直流扫描，将反向器前第二级 的电压调整到2.5V，使反向器工作在需要的放大状态。本文内容综合自网络。,刘璃月 2017.1.12,
