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1、7.4.1简单电压比较器简单电压比较器7.4.2迟滞比较器迟滞比较器7.4.3窗口比较器窗口比较器第七章 信号的非线性处理1电压比较器的主要作用是进行电平检测。电压比较器的主要作用是进行电平检测。第一节第一节 简单电压比较器简单电压比较器利用电压比较器进行电平检测波形示意图利用电压比较器进行电平检测波形示意图tuI0uO0tuR参考电压参考电压2功能功能:比较两个电压的大小比较两个电压的大小(用输出电压的高或低用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系电平，表示两个输入电压的大小关系);用途：用途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作电平检测、波
2、形产生和变换电路等。可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。2运放的工作状态运放的工作状态比较器电路中的运放比较器电路中的运放一般一般在开环或正反馈条件在开环或正反馈条件下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，即即运放工作在非线性状态。运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输在这种情况下，运放输入端入端“虚短虚短”的结论不再适用，但的结论不再适用，但“虚断虚断”的结论的结论仍然可用。仍然可用。1电压比较器的功能电压比较器的功能3常用的电压比较器有：常用的电压比较器有：零电平比较器零电平比较器(过零比较器过零比较器)非零电平比较器非零电平比较器(
3、单限比较器单限比较器)迟滞比较器迟滞比较器（滞回比较器）（滞回比较器）窗口比较器窗口比较器(双限比较器双限比较器)3电压比较器的类型电压比较器的类型简单比较器简单比较器4（1）阈值电压：）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输入电比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平。压称之为阈值电压或门限电平。（2）输出电平：）输出电平：输出电压的高电平和低电平。输出电压的高电平和低电平。（3）灵敏度：）灵敏度：输出电压跳变的前后，输入电压之输出电压跳变的前后，输入电压之差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高，差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高，抗干扰能力就越差。零电平和非零电平
4、比较器的灵敏抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。（4）响应时间：）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间。之为响应时间。4、电压比较器的性能指标、电压比较器的性能指标55电压比较器的分析方法电压比较器的分析方法若若U-U+则则UO=-UOM；若若U-U+则则UO=+UO
5、M。只有当只有当U-=U+时，输出状时，输出状态才发生跳变；反之，若输出态才发生跳变；反之，若输出发生跳变，必然发生在发生跳变，必然发生在U-=U+的时刻。的时刻。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！Ui=U-U+uo+UOM-UOM理想理想情况情况实际实际情况情况电压比较器在输出状态电压比较器在输出状态跳变过程中，运放可视为在跳变过程中，运放可视为在线性区工作。线性区工作。按理想情况分析按理想情况分析6uoU+-U-0+UOM-UOM+uoU+U_uo0+UOM-UOMU-U+注意：注意：称之为同相比较器称之为同相比较器称之为反相比较器称
6、之为反相比较器7+uouiURuoui0+Uom-UomURUR为参考电压为参考电压(阈值电压：阈值电压：P285定义定义)当当uiUR时时,uo=+Uom当当uiUR时时,uo=-Uom一、非零电平比较器一、非零电平比较器 若若ui从从同同相端输入相端输入（同相电压比较器）（同相电压比较器）8+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当uiUR时时,uo=-Uom若若ui从反相端输入从反相端输入电压电压比较器比较器（反反相电压比较器）相电压比较器）9uREF为参考电压，根据比为参考电压，根据比较器在临界状态条件可求较器在临界状态条件可求得电路的阈值电压。得电路的阈值电压。图图1：图图1电
7、压电压比较器比较器10图图2：图图2uT应用：电平显示器、逐次比较应用：电平显示器、逐次比较A/D等。等。+UoH-UoLVTvovi0电压电压比较器比较器11uoui0+UOM-UOM+uoui:当当UR=0时时+uouiuoui0+UOM-UOM电压电压比较器比较器二、零电平比较器二、零电平比较器12+uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波。方波。问题：若问题：若反相端不是接地，反相端不是接地，而是接参考电压而是接参考电压VREF，输，输出波形会有什么样的变化出波形会有什么样的变化？电压电压比较器比较器13+uiuoui0+
8、UZ-UZuo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了正忽略了正向压降向压降UF电压电压比较器比较器用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压14为了限制集成运放为了限制集成运放的差模输入电压，保护的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管其输入级，可加二极管限幅电路限幅电路。作用：作用：a）使）使Uo0时的输出更接近时的输出更接近0；b）DZ有存储有存储效应，效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。的跳变速度快，使输出接近矩形波。D15 迟滞比较器（迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、 施密特触发器） 单限比较器的优点是电路结单限比较器的优点是电路结构简单，灵敏度高。但是，主要构简单，灵
9、敏度高。但是，主要缺点是抗干扰能力差。缺点是抗干扰能力差。如果输入如果输入电压因受干扰或噪声的影响，单电压因受干扰或噪声的影响，单限比较器的输出端电压将会在高、限比较器的输出端电压将会在高、低两种电平之间频繁地反复跳变，低两种电平之间频繁地反复跳变，使电路不能稳定工作。使电路不能稳定工作。波形示意波形示意图如右所示：图如右所示：单限比较器的优缺点：单限比较器的优缺点：tuI0uO0t门限电平门限电平+(UZ+ UD)-(UZ+ UD)16一一.迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈和和uo相连，而相连，而uo有两个有两个值，所以对应的值，所以对应的U+就有就
10、有两个值。故阈值电压就两个值。故阈值电压就有两个值。有两个值。（反相迟滞比较器（反相迟滞比较器）+uoRR2R1uiUR1.电路结构电路结构172.阈值估算阈值估算临界跳变时：临界跳变时：根据叠加原理，有根据叠加原理，有：当当uo负饱和时负饱和时(uo=-UOM)：+uoRR2R1uiuR迟滞迟滞比较器比较器当当uo正饱和时正饱和时(uo=UOM)：18这时这时,设初始值设初始值:迟滞迟滞比较器比较器uoui0uT1uT2传输特性传输特性+UOM-UOM3.电压传输特性电压传输特性+uoRR2R1uiUR19uoui0+Uom-UomuT1uT2迟滞迟滞比较器比较器传输特性传输特性当当 时，传
11、输特性即为如图曲线；时，传输特性即为如图曲线；特点：输出端特点：输出端从高电平跳变从高电平跳变到低电平到低电平对应的阈值电压与对应的阈值电压与从低电平跳变到高电平从低电平跳变到高电平对应对应的阈值电压的阈值电压不同不同！ 输入信号单方向变化时，只输入信号单方向变化时，只与一个阈值电压比较与一个阈值电压比较20tuiuT1uT2tuoUom-Uom+uoRR2R1uiU+迟滞迟滞比较器比较器例例1:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。uoui0+Uom-UomuT1uT2假设开始时UO为UOM想想想想:假设假设开始时开始时UO为为 UOM?21R1=10k ，R2=2
12、0k ，UOM=12V，UR=9V当当输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画出输出出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiUR上下限：上下限：=10V=2V迟滞迟滞比较器比较器例例2：uit222V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0uT1uT2传输特性传输特性+UOM-UOM+uoRR2R1uiUR迟滞迟滞比较器比较器2V10Vtt232.阈值估算阈值估算临界跳变时：临界跳变时：根据叠加原理，有根据叠加原理，有：当当正饱和时正饱和时()：迟滞迟滞比较器比较器当当负饱和时负饱和时()：+uoRR2R1uiuR二二.迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)（同相迟滞比较器）（
13、同相迟滞比较器） 1.电路结构电路结构24这时这时,设初始值设初始值:迟滞迟滞比较器比较器3.电压传输特性电压传输特性+uoRR2R1uiuRUT1UT2uoui0UoM-UoM25uT1uT2uoui0Uom-Uom传输特性曲线传输特性曲线+uoRR2R1ui上下门限电压上下门限电压迟滞迟滞比较器比较器当当 时，传输特性即为如图曲线；时，传输特性即为如图曲线；26+uoRR2R1uiURuT1uT2uoui0Uom-Uom迟滞比较器两种迟滞比较器两种电路结构电路结构和和传输特性传输特性的比较的比较:+uoRR2R1uiURuoui0uT1uT227 滞回比较器可以组成滞回比较器可以组成矩形波
14、、锯齿波等非正弦矩形波、锯齿波等非正弦信号发生电路，也可以实信号发生电路，也可以实现波形变换。现波形变换。与单限比较与单限比较器相比，滞回比较器的主器相比，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。要优点是抗干扰能力强。波形示意图如右所示：波形示意图如右所示：tuI0uO0t正向门限电平正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平负向门限电平滞回比较器的主要优点滞回比较器的主要优点28tuI0uO0t正向门限电平正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平负向门限电平干扰太大，滞回干扰太大，滞回功能会失效功能会失效29 输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值；阈值电压的数值UH（U+H、U
15、+L）；当ui 变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。 为了正确画出电压传输特性，为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：必须求出以下三个要素：注意：注意：30 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，为数字量或低电平，为数字量 ；而输入信号是连续；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电变化
16、的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的路和数字电路的“接口接口”。 31 在如图所示电路中，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V，输入电压为如图所示的三角波，试画出输出电压。例例1电压传输特性的趋势.UT的具体值有待下面求得.无正反馈,单阈值32解：令uN=uP=0，则求出阈值电压所以画出输出波形如图所示：33134 在左图（a）所示电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压UZ=9V，输入电压uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波形。 例例2有正反馈,双阈值35解：输出高电平和低电平分别为UZ=9V，阈值电压画出电压传输特性
17、如图（c）所示。根据电压传输特性便可画出uo的波形，如图（b）所示。从波形可以看出，uI的变化在UT之间时，uo不变，表现出一定的抗干扰能力。两个阈值电压的差值愈大，电路的抗干扰能力愈强，但灵敏度变差；因此应根据具体需要确定差值的大小。三要素法：三要素法：36限幅电路概述及二极管钳位作用限幅电路概述及二极管钳位作用1. 限幅电路概述限幅电路概述 限幅电路又叫钳位电路，特点是当输入大到一定范围限幅电路又叫钳位电路，特点是当输入大到一定范围后，输出不再随输入的增大而变化，而保持在某个固定值后，输出不再随输入的增大而变化，而保持在某个固定值上。这种特性不仅用于信号的处理和运算中，也广泛用于上。这种特
18、性不仅用于信号的处理和运算中，也广泛用于过载保护中。限幅电路按是否带运放分为有源和无源两种。过载保护中。限幅电路按是否带运放分为有源和无源两种。由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，所以带运由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，所以带运放的有源限幅器可使信号源和负载之间有良好的隔离作用。放的有源限幅器可使信号源和负载之间有良好的隔离作用。但是由于受运放频率相应的限制，接入运放后，电路的工但是由于受运放频率相应的限制，接入运放后，电路的工作频率变窄。作频率变窄。限幅电路37 限幅器的主要技术指标是限幅门限值和限幅系数，结合限幅器的主要技术指标是限幅门限值和限幅系数，结合下图来说明。下图来
19、说明。1.下限限幅门限值下限限幅门限值Vth-2.上限限幅门限值上限限幅门限值Vth+3.下限限幅电压下限限幅电压VL4.上限限幅电压上限限幅电压VH术语术语5.限幅区限幅区;上、下限幅区上、下限幅区6.传输区传输区7.限幅系数限幅系数KLI 有两个限幅区，传输区夹在两个限幅区之间，具有这种有两个限幅区，传输区夹在两个限幅区之间，具有这种传输特性的限幅器叫双向限幅器。只有一个传输区和一个限传输特性的限幅器叫双向限幅器。只有一个传输区和一个限幅区的限幅器叫单向限幅器。若限幅区夹在两个传输区之间幅区的限幅器叫单向限幅器。若限幅区夹在两个传输区之间则称区间限幅器。则称区间限幅器。382. 二极管的钳
20、位作用二极管的钳位作用 二极管钳位如下图所示，该电路为串联限幅。二极管钳位如下图所示，该电路为串联限幅。单向限幅器单向限幅器1.单运放二极管单向限幅器单运放二极管单向限幅器二极管限幅器就是利用二极管单向导电性特性构成的，二极管限幅器就是利用二极管单向导电性特性构成的，如下图，为并联限幅。如下图，为并联限幅。39Ui UR ，D导通，限幅电压为：导通，限幅电压为：40由于由于则上限限幅门限电压值则上限限幅门限电压值Vth+为：为：2. 稳压管单向限幅器稳压管单向限幅器 稳压管单向限幅器如图所示。稳压管单向限幅器如图所示。有有415.6.3 双向限幅器双向限幅器1. 单运放二极管双向限幅器单运放二
21、极管双向限幅器 把二极管和电阻分压组合起来，并接在运放的反馈回把二极管和电阻分压组合起来，并接在运放的反馈回路中，就组成了普通二极管双向限幅器。二极管双向限幅路中，就组成了普通二极管双向限幅器。二极管双向限幅器电路及传输特性如图所示。由于输入信号器电路及传输特性如图所示。由于输入信号Ui变化时，二变化时，二极管极管D1、D2有三种组合，从而电路输出形成三个区间。有三种组合，从而电路输出形成三个区间。421）传输区：）传输区： D1、D2截止，电路为反相比例放大电路。截止，电路为反相比例放大电路。 等效电路如图等效电路如图 (a)所示。所示。432）上限幅区：）上限幅区： Ui正向增大，正向增大
22、， 使使D1导通导通、D2截止，电路截止，电路 开始工作在上限幅区。等效电路如图开始工作在上限幅区。等效电路如图 (b)所示。所示。443）下限幅区：）下限幅区： Ui负向变化时，负向变化时， 使使D1截止截止、D2导通，电路导通，电路开始工作在下限幅区。等效电路如图开始工作在下限幅区。等效电路如图 (c)所示。所示。2. 双运放二极管双向限幅器双运放二极管双向限幅器 双运放二极管双向限双运放二极管双向限幅器的电路形式较多，详幅器的电路形式较多，详见相关资料。见相关资料。453. 单运放稳压管双向限幅器单运放稳压管双向限幅器 单运放稳压管双向限幅器电路和传输特性如下图所示。单运放稳压管双向限幅
23、器电路和传输特性如下图所示。464. 单运放稳压管桥式双向限幅器单运放稳压管桥式双向限幅器 单运放稳压管桥式双向限幅器电路和传输特性如图所单运放稳压管桥式双向限幅器电路和传输特性如图所示。二极管桥式电路和反馈电阻并接在运放的反馈电路示。二极管桥式电路和反馈电阻并接在运放的反馈电路中，可提高电路的限幅精度，改善正负限幅电压的对称中，可提高电路的限幅精度，改善正负限幅电压的对称性。性。 当输入电压为零时，加在桥路上的电源电压为当输入电压为零时，加在桥路上的电源电压为+VCC，-VEE通过通过R4和和R5使稳压管使稳压管DZ导通，而导通，而D1D4均截止。均截止。设设R4 = R5 =R，稳压管的稳
24、压值为稳压管的稳压值为VZ，流过稳压管的电流过稳压管的电流为：流为：47 该电流即为起始电流。适当选取电流值，就不会使稳压管该电流即为起始电流。适当选取电流值，就不会使稳压管在工作过程中进入反向击穿待性的起始段，而永远工作在特性在工作过程中进入反向击穿待性的起始段，而永远工作在特性的陡直线段上，从而提高了限幅精度。的陡直线段上，从而提高了限幅精度。48 设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示，要求所用电阻值在20100k之间。讨论题讨论题3解：根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，而且uo=UZ=6V，UT1=UT2=3V，电路没有外加基准电压，故电路如图（b）所示。求解
25、阈值电压的表达式：49所以，若取R1为25k，则R2应取为50k；若取R1为50k，则R2应取为100k。故本题有无问题？问题在哪里？请改正之！本题有无问题？问题在哪里？请改正之！50了解了解 双限比较器双限比较器（窗口比较器）（窗口比较器）其中：其中：UAUBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限下门限上门限上门限单限比较器和滞回比较单限比较器和滞回比较器在输入电压器在输入电压单一方向变化单一方向变化时，输出电压只跃变一次，时，输出电压只跃变一次，因而不能检测输入电压是否因而不能检测输入电压是否在两个给定电压在两个给定电压VA、VB之间，之间，而窗口比较器具有这
26、一功能。而窗口比较器具有这一功能。其电路及传输特性曲线如右其电路及传输特性曲线如右下图所示：下图所示：51 由图可知：由图可知：当当uIUB注意注意: 连接连接高高低低通通止止下台阶下台阶上台阶上台阶UOA2UOA152当当uIUA时：时：A1的输出端为的输出端为高高电平，电平， A2的输出端为的输出端为低低电平，电平，则二极管则二极管D1导导通通，D2截截止止，输出电压，输出电压uO也是也是高电平。高电平。 特性曲线如右图所示：特性曲线如右图所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限下门限上门限上门限其中：其中：UAUB双限比较器双限比较器工作原理工作原理低低
27、高高止止通通53 当当UB uI UB双限比较器双限比较器工作原理工作原理54双限比较器及其传输特性动画55由两个简单比较器组成的窗口比较器由两个简单比较器组成的窗口比较器（a）电路图）电路图 （b）传输特性）传输特性注意注意:连接法连接法56窗口比较器应用窗口比较器应用 三极管三极管 值分选电路值分选电路 用双电压比较器用双电压比较器LM393设计一个设计一个值分选电路，要值分选电路，要求当被测三极管的求当被测三极管的 250， LED不亮，表不亮，表示不合格；当示不合格；当150 250，LED 亮，表示合格。已知亮，表示合格。已知电源电压电源电压Vcc=12V，三极管集电极电阻，三极管集
28、电极电阻R2=2K。uO0uIU2U1下门限下门限上门限上门限571、根据题意要求，设计与计算、根据题意要求，设计与计算Rb的阻值，调节的阻值，调节W1使使Rb回路总阻值等于设定值并连接好电路。回路总阻值等于设定值并连接好电路。2、根据、根据Rb取值和被测晶体管取值和被测晶体管 值范围计算出值范围计算出Uc的的正常范围，按照正常范围，按照Uc的变化范围在万用表帮助下的变化范围在万用表帮助下调节调节W2、W3到设定的上限到设定的上限UREF1与下限电压与下限电压UREF2。3、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断三极管是否处于放大状态，如不是放大状态
29、则三极管是否处于放大状态，如不是放大状态则检查电路是否连接有误或检查电路是否连接有误或Rb取值设计不当，取值设计不当，装装入一些已知直流入一些已知直流 值值的晶体三极管，验证电路的晶体三极管，验证电路工作情况。工作情况。58单限比较器：单限比较器：电路只有一个阈值电压，输入电压电路只有一个阈值电压，输入电压uI逐逐渐增大或减小过程中，当通过渐增大或减小过程中，当通过UT时，输出电压时，输出电压uO产生产生跃变，从高电平跃变，从高电平UOH跃变为低电平跃变为低电平UOL，或者从，或者从UOL跃跃变为变为UOH。滞回比较器：滞回比较器：电路有两个阈值电压，输入电压电路有两个阈值电压，输入电压uI从
30、小从小变大过程中使输出电压变大过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压产生跃变的阈值电压UT1，不，不等于从大变小过程中使输出电压等于从大变小过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电产生跃变的阈值电压压UT2，电路具有滞回特性。，电路具有滞回特性。窗口比较器：窗口比较器：电路也有两个阈值电压，输入电压电路也有两个阈值电压，输入电压uI从从小变大或从大变小过程中使输出电压小变大或从大变小过程中使输出电压uO产生两次跃变。产生两次跃变。总总 结结59 比较器在最常用的简单集成电路中排名第二，仅次于排名第一的运算放大器。在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论，关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常
31、多，可是我们却很难找到关于比较器的理论研究，究其原因，比较器本身功能十分简单，只用于比较电压。 在开环或高增益配置中用运算放大器代替比较器是十分常见的，虽然最好是使用专门优化的比较器，但是用运算放大器代替比较器也是可的。 运算放大器是一种为在负反馈条件下工作设计的电子器件，设计重点是保证这种配置的稳定性，压摆率和最大带宽等其它参数是放大器在功耗与架构之间的折衷选择；相反，比较器是为无负反馈的开环结构内工作设计的，这些器件通常不是通过内部补偿的，因此速度即传播延迟以及压摆率（上升和下降时间）在比较器上得到了最大化，总体增益通常也比较小。 用运算放大器代替比较器不会使性能得到优化，而且功耗速度比将
32、会很低。如果反过来，用比较器代替运算放大器，情况则会更坏。通常情况下比较器不能代替运算放大器，在负反馈条件下，比较器很可能会出现工作不稳定的情况。 总之，可以说，比较器和运算放大器是不能互换的，低性能设计除外 小资料小资料 小资料小资料60电源电压电源电压:比较器与运算放大器工作在同样的电源电压，传统的比较器需要15V等双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，许多厂商也仍在提供该类产品。市场发展趋势市场发展趋势:目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装，有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如MAXIM （美信）（美信）公司：MAX919比较器可工作在1.8V至5.5V电压范围内，全温范围内的最大吸入电流仅为1.2A，采用SOT23封装，类似的MAX965比较器工作电压可低至1.6V，因而非常适用于电池供电的便携式产品。61
