电压比较器资料讲解

电压比较器

电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。

电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平。此外由于高电平相当于逻辑“1”，低电平相当逻辑“0”，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路.

由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。

电压比较器的电路符号

电压比较器的基本特性

1. 输出 高电平(U oH )和低电平(U oL )

用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH 和低电平UoL 可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压(-UCC)。

2. 鉴别灵敏度

理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT 处具有阶跃的传输特性。

这就要求运放：

实际运放的Aud 不为无穷大。在UT 附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH ，也非UoL ，故无法对输入电平大小进行判别。

显然，Aud 越大，则不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。

3.转换速度

作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。

ud A =

∞

u u EE

u -u +

通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。

理想集成运放非线性应用时的特点

非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。

非线性应用特点：

反相电压比较器 电路如图所示， 输入信号u i 加在反相端，参考电压u r 加在同相端。 u i < u r ， u o =U OH ui > ur ， uo=UOL

。

同相电压比较器 电路如图所示， 输入信号u i 加在同相端，参考电压u r 加在反相端。

ui < ur ， uo=UOL ui > ur ， uo=UOH

当参考电压为零时，则为同相过零比较器。

o CC oL o CC oH

i i u u u U U u u u U U +--+

-+==>≈-=<≈+=

其传输特性 uo= f ( ui )

简单比较器应用中存在的问题

①. 输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；

②. 抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。

为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。

这种比较器具有很强的抗干扰能力，同时由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。

反相迟滞比较器

反相迟滞比较器电路如图所示。 R1和R2将输出电压uo 反馈到运放的同相端，构成正反馈。为简单计，R1端所接的参考电平为地。

当u i 很负使u －< u +时， u o 为高电平U oH

此时，同相端电位u+为: 当ui 由负逐渐增大到ui =U+′时，输出将由高电平跳变为低电平。对于反相电路uo 从高跳到低所对应的ui 电压称为上门限电压，记为UTH 。可见，UTH = U+′

当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为: 由于 ，因而ui >以后，uo 将维持在低电平。

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。图5中的Vin 相当于图3(b)中的VA 。

U U ++'''>U +'112

f oH R U U U R R +''==+112

f oL R U U U R R +''''==+

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，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，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。

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)。

比较器典型应用电路

这里举两个简单的比较器电路为例来说明其应用。

1.散热风扇自动控制电路

一些大功率器件或模块在工作时会产生较多热量使温度升高，一般采用散热片并用风扇来冷却以保证正常工作。这里介绍一种极简单的温度控制电路，如图7所示。负温度系数(NTC)热敏电阻RT粘贴在散热片上检测功率器件的温度(散热片上的温度要比器件的温度略低一些)，当5V电压加在RT及R1电阻上时，在A点有一个电压VA。当散热片上的温度上升时，则热敏电阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的温度特性如图8所示。它的电阻与温度变化曲线虽然线性度并不好，但是它是单值函数(即温度一定时，其阻值也是一定的单值)。如果我们设定在80℃时应接通散热风扇，这80℃即设定的阈值温度TTH，在特性曲线上可找到在80℃时对应的RT的阻值。R1的阻值是不变的(它安装在电路板上，在环境温度变化不大时可认为R1值不变)，则可以计算出在80℃时的VA值。

R2与RP组成分压器，当5V电源电压是稳定电压时(电压稳定性较好)，调节RP可以改变VB的电压(电位器中心头的电压值)。VB值为比较器设定的阈值电压，称为VTH。

设计时希望散热片上的温度一旦超过80℃时接通散热风扇实现散热，则VTH的值应等于80℃时的K值。一旦VA>VTH，则比较器输出低电平，继电器K吸合，散热风扇(直流电机)得电工作，使大功率器件降温。VA、VTH电压变化及比较器输出电压Vout的特性如图9所示。这里要说清楚的是在VA开始大于VTH 时，风扇工作，但散热体有较大的热量，要经过一定时问才能把温度降到80℃以下。

从图7可看出，要改变阈值温度TTH十分方便，只要相应地改变VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，调整十分方便。只要RT确定，RT的温度特性确定，则R1、R2、RP可方