再说运放电路之四

再说运放电路之四
——电压比较器电路
处于非线性工作区应用的运放电路，主要为电压比较器和电压比较器的“延伸性电路”——迟滞电压比较器电路。

电压比较器的作用是比较两个输入电压信号的大小，将比较结果以开关量信号——“0”或“1”的数字形式输出。

其电路已脱离了线性放大的范畴，似乎进入了“数字（或逻辑）电路”的领域，是拿模拟电路当作了数字电路来应用。

其实质是对运放电路的应用，使其出离放大区域，进入使电压放大倍数为无穷大的开环控制状态。

1、电压比较器的几种电路形式和特点
+5V
a、电压比较器c、窗口电压比较器
+15V
R2
-15V
图1 三种电压比较器电路
1）单值电压比较器
图1中的a电路，是一个基本的电压比较器电路，又称为单值比较器，输入信号电压仅与2.5V分压值进行比较，将比较的逻辑结果由输出端输出。

放大器的同相输入端的电压，为R2、R3两电阻对+5V的分压值2.5V，称为比较基准电压值，或门限电压、阀值电压等。

反相端输入信号与同相端的门限值比较，高于此值时，则输出为0V低电平信号，低于低值时，则输出为+15V高电平信号。

输出动作决定于输入信号电压值的一个点：2.5V。

当输入信号在2.5V上、下波动时，输出状态也是随之波动的。

2）梯级电压比较器
将两级电压比较器接成图1中的b电路，则成为梯级电压比较器，一个输入信号与两个基准电压值进行比较，输出两个比较结果。

因两级电路同相输入端的基准电压值不同，N1电压比较器的比较基准值为6.6V，N2比较基准值则为3.3V。

当输入信号由0V到逐渐上升，（第一步）上升为3.3V以上时，N2的输出状态先变为低电平；（第二步）N1在输入信号值大于6.6V时，才有低电平信号输出。

梯形电压比较器在电流检测电路中的应用，是将电流检测信号与两个基准值进行比较，根据过载轻重的程度分别报出OL1、OL2故障信号。

实际的电路构成，为避免输出信号的频繁波动，往往在梯级电压比较器的基础上，引入一定的正反馈，构成迟滞电压比较器（或称滞回电压比较器）电路。

3）窗口电压比较器
若将两级电压比较器接为图1中的c电路，则构成窗口电压比较器电路。

相对于单值电压比较器电路，窗口电压比较器又称为双值电压比较器。

输入信号与两个基准电压值相比较，在出离由两个比较值形成的“电压区域”时，电路产生输出信号。

放大器N1的反相端由R2、R3对+15V分压引入5V基准电压，放大器N2由电阻R4、R5对-15V分压引入-5V基准电压。

当输入信号在低于5V和高于-5V的10V电压范围以内时，N1、N2维持静态的低电平输出状态；当输入信号高于5V或高于-5V（出离10V电压范围以外）时，N1或N2产生高电平信号输出。

可见，单值电压比较器是比较基准电压的一个“点”，窗口比较器则是比较两个基准值之间的“电压范围”，在此由基准电压设定的“电压范围”之内，输出状态不变。

常规集成运算放大器，因输出级采用推挽式电压互补放大电路，当N1与N2的输出端电平状态不一致时，会造成对供电电源的短路，加入D1、D2隔离二极管，使两者的输出状态互不影响。

电压比较器和窗口比较器电路，在检测电路中实际应用时，并不考虑其比较精度（或者不要求在一个电压点上进行比较，避免引起不必要的输出波动），往往加接正反馈环路，使其“变身”为迟滞电压比较器（或称为滞回比较器），见下文所述。

2、迟滞电压比较器
迟滞电压比较器是在单值、双值、梯形电压比较器的基础上，添加正反馈环路，将输出信号引至输入端，a、形成静态和电路动作后的两个不同的门限电压值；b、相应“抬高/挖低”输入信号的幅度，使电路出离对“电压点”的比较，过渡为“电压段”的比较特性。

这样，当输入信号在一定的变化范围内时，能保持输出状态的稳定不变。

R4
a、迟滞电压比较器电路一
b、迟滞电压比较器电路二
图2 三种迟滞电压比较器电路
1）图2中的a电路
电路静态（输入Vin信号电压为0V）时，N1输出端电压为+15V高电位， R2、R3和R4、D1、R3两个电流支路，形成N1放大器3脚的分压（基准电压1）为7.8V。

a、当Vin＞7.8V时，N1输出端变为0V低电平，此时Vin与基准电压1进行比较，N1输出状态翻转；二极管D1由正偏变为反偏而截止，N1放大器的3脚电压变为由R2、R3对+15V 的分压值，3脚电压此时变为7.5V（基准电压2）。

b、当Vin由高于7.8V时向低于7.8V以下变化时，由于N1的3脚电压值为7.5V，Vin 只要不低于7.5V，N1即能维持低电平输出状态。

一直到Vin＜7.5V时，N1输出端才恢复为高电平状态。

此时Vin与基准电压2进行比较，N1输出状态翻转。

普通电压比较器， Vin信号电压仅与基准电压1进行比较，而迟滞电压比较器，是根据信号输入幅度相应产生了两个比较点，形成了在Vin信号电压7.8V~ 7.5V的0.3V范围以内的稳定输出，将普通电压比较器的“电压点”比较变为“电压段”比较。

对信号检测的如此处理，是有着实际意义的。

2）图2中的b电路
该电路的门限电压，虽然只有一个由R2、R3对+5V分压形成的V1门限电压，但R4正反馈环路的引入，使得输出信号能对输入信号的幅度施加影响，从而使电路仍具有“电压段”的比较特性。

电路静态时，输出端为低电平；Vin上升至V1门限电压值以上时，输出状态翻转变为高电平；输出端的高电位经R4引入至输入端，使输入信号的幅度在原Vin的基础上“垫高了一块”，对输入信号的电压幅度产生了一个“相应增量”；这样，当输入Vin信号幅度往减小方向变化时，电路仍能维持高电平状态不变；直到Vin信号幅度继续降低，其“相应减量”足以抵消与R4引入的正反馈信号带来的“相应增量”时，也即输入端3脚电压值低于V1时，电路输出状态才再度翻转为低电平。

避免了Vin信号在到达V1门限电压值时，稍有降低变化时使输出状态翻转。

电路对输入信号的产生“相应增量”特性，起到和两个门限电压相比较一样的作用。

3）图2中的c电路
该电路由窗口电压比较器“变形而来”，两路电压比较器分别添加了正反馈环路，使输出信号对输入信号产生了“滞后”特性。

a、电路的静止状态，当Vin=0V时，N1的同相输入端电压高于反相输入端，输出端为R4上拉高电平+15V。

二极管D1反偏截止，N1的7脚是经R1、R2对+15V分压取得的1.36V“比较基准1”。

N2的输出端也为高电平，反相输入端的比较基准电压值为-1.36V。

输入Vin信号电压在高于1.36V和低于-1.36V的范围以内，输出信号维持高电平状态不变。

显然，电路具有窗口电压比较器功能。

为了与后级MCU电路的5V电平相兼容，电路输出端的+15V、-15V信号，经电阻R8限流，二极管D3、D4双向钳位，变为+5.6V和-0.6V（可认为是+5V和0V）的电压信号，送入后级MCU电路。

b、当Vin信号在低于1.36V或高于-1.36V 时，N1、N2输出状态翻转，输出端变为-15V 低电平。

二极管D1正偏导通，将N1比较器3脚的1.36V “比较基准1”，拉低为1.16V的“比较基准2”；二极管D2正偏导通，将N2同相端5脚输入信号1.36V “挖低”变成1.56V。

c、如此一来，输入Vin信号电压在低于1.36V和高于-1.36V的范围内变化时，N1、N2还维修输出状态不变，只有当输入Vin信号电压在低于1.56V和高于-1.56V的范围内变化时，电路输出状态才会再度翻转。

以N1为例，电路的两次翻转，不再依赖于1.36V的基准比较值，而是据1.36V~1.56V的“电压段”变化，产生两次不同的输出。

3、专用电压比较器
图2的c电路中，采用的器件芯片型号为C339G，为贴片印字标注，原型号为LM339，可代换型号有IR2339、ANI339、SF339等，属于专用的电压比较器芯片，与普通的集成运算放大器有所差异。

一般而言，若对电压比较的精度要求不高，普通运算放大器可以用作电压比较器电路。

也有专用型电压比较器产品，虽然电路结构与普通运算放大器相同，但“比较特性”得以强化，并且更适用于开环应用，属于增益不可调的运算放大器。

这类器件出离线性放大区，称为非线性模拟集成电路。

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态；6）为开路集电极输出方式，输出端电位可灵活方便地选用。

图3 LM339功能引脚、4、5、2脚内部电路图
从图中可看出，一般普通运算放大器（或电压比较器）输出级电路为双管电压互补（或称推挽）式电路构成，LM339则采用单只晶体管Q8以形成开路集电极输出，优点是多个电压比较器的输出端可以直接并联，不会因输出状态不同对供电电源形成短路，但必须外接上拉电阻，形成静态高电平输出。

4、电压比较器的检测和故障判断方法
电压比较器的显著特征：
1）处于开环工作状态，输入端微小的电压变化，即会使输出端出现饱和或截止，因而输出状态只有高电平（逻辑“1”）和低电平（逻辑“0”）。

输入、输出信号不呈线性关系。

输出信号是对两个输入信号大小相比较的逻辑判断结果。

当同相输入端电压值高于反相端电压值时，输出为高电平（约与电源的正端电压相等）；反之输出为低电平（约与供电的地端或负端电压值相等）。

2）静态或动态测量时，两输入端之间的电压值不为0V，有较大的电压差。

一般在同相输入端（或反相输入端）设置一个基准电压。

3）电路不存在负反馈环节，迟滞电压比较器有正反馈环节，但反馈电阻值一般较大（反馈量较小）。

电压比较器的判断方法：
1）测量两个输入端之间的电压值大于0V；输出端为“1”或“0”的电平状态；输出状态与两个输入端电压比较的结果。

如检测结果不相符，电压比较器或外围元件有故障。

2）人为动态检测法。

在高电平输出状态，将同相输入端与信号地暂时短接，测量输出端相应变为低电平，说明电路是好的。

无变化说明电路是坏的。

同理，也可以用串1k限流电阻从供电电源正端分别向两个输入端引入高电平信号，检测输出端信号变化，来判断电路的好
坏。

（中华工控网原创文章转载请注明出处）
咸庆信2012年4月25日。