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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,