集成运算放大器比较器电路分析

集成运算放大器比较器电路分析
1.LM358比较器
通过图3.13测试，可以看到当输入电压u i小于1V时，输出电压uo 约为5V左右；当输入电压在1-3V时，输出电压uo约为-5V。

即当U i<U R时，u o输出高电平；当u i>U r时，u o输出低电平。

将u i和U R互相调换位置，重复上述过程，记录输出电压u o，可观察到结果刚好相反。

在实验中为何会出向上述现象？分析一下其中的原因。

在图3.13(a)电路中，同相输入端接基准电位(或称参考电位)U R。

被比较信号由反相输入端输入。

集成运放LM358处于开环状态。

当u i>U R时，由于LM358 的电压放大倍数足够大，所以，输入端只要有微小的电压差，电压即饱和输出，在第一种情况下，输出电压为负饱和值为-U om；同理当u i<U R时，输出电压为正饱和值为+Uom。

其传输特性如图6.8 所示。

可见，只要输入电压在基准电压U R处稍有正负变化，输出电压u o就在负最大值到正最大值处变化。

通过上述分析可知，图3.13所示电路的功能是将一个输入电压与另一个输入电压或基准电压进行比较，判断它们之间的相对大小，比较结果由输出状态反映出来，该电路称为单限电压比较器，其特性如图3.14所示。

图3.14 单限电压比较器传输特性
2.电压比较器LM393/LM339
LM393是低功耗低失调电压两比较器，LM339是低功耗低失调电压四比较器。

两种比较器，原理图一样，功能参数一样。

(1) LM393/LM339工作原理
LM339集成块采用C-14型封装，图3.15为外型及管脚排列图。

图3.15 比较器LM339
LM339类似于增益不可调的运算放大器。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

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，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

电压比较器LM393/LM339特性如下：
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-（U cc-1.5V）Vo；
⑤差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；
⑥输出端电位可灵活方便地选用。

(2)单限比较器电路
常用的单限电压比较器的阈值电压UT并不为零，其电路形式有多种，其中一种如图3.16所示。

图3.16给出了一个LM393基本单限比较器。

输入信号U in，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）U r(此电路为2V)。

当输入电压U in>U r时，输出为高电平U OH。

图3.16(c)为其输出波形。

通道1:比较输出信号
(a)LM393仿真电路(b)输入信号(c)输出波形
图3.16 LM393比较器电路（multisim）
下图3.17为另一种单限电压比较器电路。

U REF为外加参考电压，由于收入电压比参考电压接成求和形式，因此，称这种电路为求和单限电压比较电路。

利用叠加原理可得
REF
i
U
R
R
R
u
R
R
R
u
2
1
2
2
1
1
+
+
+
=
-
在根据集成运放的非线性特征和阈值的定义，当0
=
=
+
-
u
u时，输出电压
o
u跃变，所以阈值电压U T为
1
2
R
U
R
UT REF
-
=
当
T
i
U
u<时，有
+
-
<u
u，输出电压
Z
OH
o
U
U
u+
=
=；当
T
i
U
u>时，
+
-
>u
u，
输出电压
Z
OL
o
U
U
u-
=
=。

若0
<
REF
U，则该电路的电压传输特性如图3.17(b)所示。

则，只要改变参考电压U REF的大小和极性及电阻R1和R2的阻值，就可以改变阈值电压UT的大小和极性。

若想改变u i和U T时输出电压u o的跃变方向，则只须将集成运放的同相输入端和反相输入端所接外电路互换即可。

1：输入信号
2：输出信号
(a)仿真电路(b)输入信号(c)输出波形
图3.17 LM393比较器电路（multisim）
例1：单限电压比较电路如图3.17所示，已知R1=10KΩ，R2=20KΩ，稳压管D1和D3的反向击穿电压U Z=5V，U REF=2V，求阈值电压U T。

从图中可以知，参考电压UREF和输入电压u i均由集成运放反相端输入的单限电压比较电路。

当输入电压u i使得集成运放反相输入端电压u i略大于或小于0V时，输出电平就发
生跃变。

REF T U R R U 12-=带入数据得，V U T 4210
20-=⨯-=。

所以，当V U u T i 4
-=<时，有+-<u u ，集成运放输出电平高，V U U U Z OH o 5=+==（如果考虑硅二极管导通电压0.7V 的话，输出为 5.7V ）；当V U u T i 4-=>时，有+->u u ，集成运放输出电平高，V U U U Z OL o 5-=-==（如果考虑硅二极管导通电压0.7V 的话，输出为-5.7V ）。

(3) 双限比较器
双限比较器又称窗口比较器。

仿真测试电路如下图3.18(a)所示。

由于LM393比较器输出为集电极开路门（具有线与功能），当输入信号电压U in 位于门限电压之间时（U R1<U in <U R2），U1A 比较器输出高电平，U3A 比较器输出高电平，所以相与结果为高电平；但是当U in 不在门限电位范围之间时，例如输入1V 电平时，U1A 比较结果为第电平，U3A 输出为高电平，但两个结果相与为低电平，所以当U in >U R2或U in <U R1输出为低电位（U O =U OL ），窗口电压ΔU=U R2-U R1。

它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

1kΩ通道2:比较输出信号通道1:比较输出信号
(a)仿真电路 (b)输入信号 (c)输出波形
图3.18 LM393双限比较器（multisim ）
(4)LM358与LM393比较电路
从图3.16、3.17比较电路可以看出，其作用和LM358比较电路功能类似。

但是，LM393是双电压比较器，LM358是双运算放大器，不能直接代换，但是在某些要求不是很精密的电路里面运放是可以当作电压比较器来使用的，但是运放不能用比较器来代替，因为没有放大功能，358换393时应去掉原来393输出端的上拉电阻
比较器和运放虽然在电路图上符号相同，但这两种器件确有非常大的区别，一般不可以互换，区别如下:
①比较器的翻转速度快，大约在ns 数量级，而运放翻转速度一般为us 数量级(特殊的
高速运放除外)。

②运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈，虽然比较器也有同相和反相两个输入端，但因为其内部没有相位补偿电路，所以，如果接入负反馈，电路不能稳定工作。

内部无相位补偿电路，这也是比较器比运放速度快很多的主要原因。

③运放输出级一般采用推挽电路，双极性输出。

而多数比较器输出级为集电极开路结构，所以需要上拉电阻，单极性输出，容易和数字电路连接。