电压比较器及其应用教学内容

电压比较器及其应用
电压比较器及其应用
在最常用的简单集成电路中，电压比较器仅次于排名第一的运算放大器而排名第二。

各类教科书及相关出版物中可以经常看到关于运算放大器的理论、设计和使用方法的知识内容，而关于比较器的知识内容明显较少。

我们在中等职业技术教学中，补充了一些知识内容，弥补这些不足。

一、电压比较器简介
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。

其功能是比较两个输入电压（或者说一个基准电压和一个待比较电压）的大小，并用输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压比较的结果：当“＋”输入端（同相输入端，下同）电压高于“－”输入端（反向输入端，下同）时，输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，输出为低电平。

电压比较器可以用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形的产生和变换等。

利用电压比较器可将正弦波变换为同频率的方波或矩形波。

电压比较器的输入是线性量，而输出是开关量（高电平或低电平）。

一般应用中，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。

所有的运算放大器都可用作电压比较器，例如LM324、LM358、μ
A741、TL081、OP27等，这些都可以做成电压比较器。

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。

电压比较器有的使用单电源工作，如图1所示。

有的单电源和双电源都可以使用，图2所示使用的就是双电源。

我们经常使用的四电压比较器LM339，既可使用最大值36V的单电源，也可使用±18V的双电源。

电压比较器的输出端，有的自身可以输出高电平及低电平，例如输出级采用推挽式结构的；而有的电压比较器输出级是一只集电极开路的三极管，称作集电极开路输出，参见图3。

也有场效应管漏极开路输出型，与集电极开路输出型类似。

对于集电极开路输出和漏极开路输出的电压比较器，使用时要连接上拉电阻R，输出端才可能有高电平，如图4所示。

上拉电阻R一端连接在比较器的输出端，另一端则有两种选择：一是连接在
芯片自身的电源端Vcc上，
如图4a，二是连接至另一独
立电源，如图4b中的Vcc2
上。

其中第二种连接方法可
以用来改变传输电平，用低电平逻辑控制高电平逻辑，或者相反。

二、电压比较器应用中的问题
普通电压比较器的结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，例如图5所示的电压比较器电路，我们向“－”输入端施加一个缓慢变化的信号V in，当该信
号在与“＋”输入端的基准信号V ref的幅值接近或相等时，即使V in信号所带电压噪声级别非常低，也可能引起比较器输出端状态的多次转换，如图6所示。

这是由于噪声信号可能有正有负，叠加在V in信号之上，使“－”输入端上的合成信号会在V ref值的上下变动，导致比较器开关数次。

当这种比较器被应用于诸如高速计数器等电路时，就会带来错误的计数。

这种称作单门限电压比较器的电路，只能应用在对输出误跳变不敏感的场合，或者电路中对输出有其它锁定措施的应用中。

而对有些应用则要对它进行改进。

利用迟滞比较器的滞后功能则可以解决这一问题。

除了滞后功能，电压比较器还可用作窗口比较器等。

下面进行简要介绍。

三、电压比较器的应用电路
1.单门限电压比较器
图7a是一个基本的单门限电压比较器，图中R是上拉电阻。

在“＋”输入端（同相输入端）接一个参考电压V ref（有时也称阈值电压），在“－”输入端（反向输入端）连接输入信号，即待比较电压V in，当输入电压低于基准电压时，输出为高电平V oh，反之则输出低电平V ol。

其传输特性见图7b。

单门限电压比较器的一个具体应用实例见图8，这个电路被用于一种仪器的过热检测。

LM339内含四个电压比较
器，属于集电极开路输出型，这里选用其中
的一个比较器。

电路采用12V单电源。

在
“－”输入端10脚加一个固定的基准电压
V ref，这个电压由电阻R1和R2分压决定，其值为V ref=R2/（R1+R2）×12V；“＋”输入端11脚连接一个热敏电阻Rt，该脚电压由R3和Rt分压确定。

Rt的阻值随温度变化，温度升高时，阻值减小，11脚电压降低，当温度达到设定值时，11脚电压低于10脚，比较器输出端13脚由高电平转换为低电平，这种电平转换可用于报警或保护。

2.迟滞比较器电路
迟滞比较器实际上是具有正反馈的电压比较器，如图9a所示。

图中R f是正反馈电阻，V ref是基准电压（阈值电压），V in是输入信号电压或称待比较电压。

该比较器的输出只有两种状态：高电平V oh和低电平V ol，V oh可等于或接近等于正电源电压，而低电平可认为是零电压或接地，图9b是其传输特性。

下面对该电路进行简单分析。

当输出端为低电平V ol时，流经反馈回路的电流I l=(V ref—V ol)/(R2+R f)，由于电压比较器的输入端电流很小仅为nA级，所以上列计算式已将其忽略，此时电流从基准电压V ref端流向输出端；当输出端为高电平V oh时，流经反馈
回路的电流I h=(V oh—V ref)/(R f+R2)，此时电流从输出端流向基准电压V ref 端。

由于正反馈电路的作用，迟滞比较器有两个阈值电压，即高阈值电压V TH 和低阈值电压V TL，其具体数值是：V TH=V ref+I h×R2，V TL=V ref—I l×R2。

滞后电压=V TH—V TL。

在迟滞电压比较器中，只要噪声电压引起输入信号电压的变化幅度不超过滞后电压即图9b中的△V，就能保证输出状态的稳定。

以上分析是针对那些具有推挽式输出级的电压比较器，而对于那些带有集电极开路或漏极开路输出级的比较器而言，上拉电阻器和负荷电阻器共同形成了一个分压器，输出高电平V oh不一定能达到与电源电压相等或相近的数值，可能会有所降低，这在设计电路时应引起注意。

3.窗口电压比较器
相对于单限比较器而言，窗口电压比较器也叫双限比较器。

单限比较器和迟滞电压比较
器在输入电压
U in单一方向变
化时，其输出
电压只跳变一
次，因而不能
检测输入电压
是否在两个给
定阈值电压之间，而窗口电压比较器则具有这种功能。

图10a是用输出端为集电极开路的四电压比较器LM339构成的窗口比较器，共使用LM339内部的两
个比较器，它们的输出端直接并联，使用共同的上拉电阻R。

当任意一个比较器输出低电平（实际上是输出三极管处于饱和状态）或两个比较器均输出低电平时，窗口比较器输出端为低电平，只有两个比较器均输出高电平（实际上是输出三极管处于截止状态）时，窗口比较器才输出高电平；因此，两个输出端具有正逻辑中的逻辑与的关系。

窗口电压比较器有两个阈值电压，即高阈值电压V TH和低阈值电压V TL，如图10所示。

V TH和V TL的数值可以根据需要任意设置，它们之间的电压范围就是窗口电压范围。

由图可见，当输入信号电压V in数值在高阈值电压V TH和低阈值电压V TL之间即V TH＞V in＞V TL时，上下两个比较器均输出高电平，输出端V out为高电位；当输入信号电压V in数值在窗口电压之外，即V in＞V TH或V in＜V TL时，输出端为低电平。

其传输特性见图10b。

4.小结
单限比较器：电路只有一个阈值电压，输入电压V in逐渐增大或减小过程中输出电压只产生一次跃变。

迟滞比较器：电路有两个阈值电压，输入电压V in从小变大过程中（见图9b）使输出电压V out产生跃变的阈值电压V TH，与输入电压V in从大变小过程中使输出电压产生跃变的阈值电压V TL不相等，电路具有迟滞特性。

窗口比较器：电路也有两个阈值电压，输入电压V in从小变大或从大变小过程中使输出电压产生两次跃变。