3_4电压比较器与应用
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2011-1-15 6
3.4.1概述 概述
比较器的技术指标主要有： 比较器的技术指标主要有：分辨率 的高低、比较速度的快慢、 的高低、比较速度的快慢、输入电 压范围的宽窄， 压范围的宽窄，以及逻辑电平兼容 性的强弱。 性的强弱。 一个性能优良的比较器应具有高的 分辨率、快的比较速度、宽的输入 分辨率、快的比较速度、 电压范围和强的逻辑兼容性。 电压范围和强的逻辑兼容性。
Vi
23
±
=10K， =15K， =30K， =3K， R1=10K，R2=15K，R3=30K，R4=3K，VR=0V， ， VZ=6V，根据式（3-25）和式（3-26）计算 ，根据式（ ）和式（ ） VTH1=2V, VTH2 = -2V。
2011-1-15 24
2011-1-15
25
R1
2011-1-15 34
3.4.2 集成电压比较器
特点： 特点： 输出的高低电平分别与数字电路的逻辑“ 和逻辑“ 输出的高低电平分别与数字电路的逻辑“1”和逻辑“0”电 平相等，能与各种数字电路的电平兼容， 平相等，能与各种数字电路的电平兼容，有些比较器输出还 可以直接驱动继电器和指示灯，且电源的选择范围较大； 可以直接驱动继电器和指示灯，且电源的选择范围较大；单35 2011-1-15 电源或双电源， 电源或双电源，使用简单方便
负向过程 R3 R3V R − R 2V Z R2 V+ = VR + ( −V Z ) = R 2 + R3 R 2 + R3 R 2 + R3
从 vi 足够高逐渐下降使由跳变为的阈值为VTH2= 足够高逐渐下降使由跳变为的阈值为V Vo V+
R1
i
R2 + R3
R4
o
+VZ
R
±
Z
-VZ
2011-1-15
2011-1-15
12
限幅电路与过电保护电路
2011-1-15
13
限幅电路与过电保护电路
2011-1-15
14
二、任意电平比较器
1.非过零比较器 非过零比较器
2011-1-15
15
二、任意电平比较器
2．求和型任意电平比较器 ． 阈值电压： 阈值电压： 电压
±
2011-1-15
R1 R2 V− = VR + Vi R1 + R 2 R1 + R 2 16
2011-1-15
D1、D2作用是防止 作用是防止 电流回流损坏运放
电阻为限流和电平匹配设置。 电阻 为限流和电平匹配设置。 为限流和电平匹配设置
30
四、窗口比较器
假定参考电压VR1＞VR2 ＞ 假定参考电压 当Vi＞ VR1 时，A1输 时，A1输 当Vi< ＞Vi＞ 当VR1 VR2时 VR2输 ＞ 出为1电平，A2输出为 出为0电平 的输出 电平， 输出 出为 电平，A2输出 时，A1、A2的输出 、 0电平，二极管D1导 电平， 为1电平，二极管D1 电平 均为0电平 二极管 电平， 均为 电平，晶体管 通，D2截止，晶体管 截止， 输出Vo为 导通， 截止，D2导通 为1 T截止，输出 ，晶体 截止， 导通 截止 T饱和导通，输出Vo为 饱和导通， 管T饱和导通 电平。 电平饱和导通，同样 。 0电平。 为0电平。 输出Vo为 电平 电平。 输出
比较器 比较器 比较器
比较器 比较器
集 成 制 造 工 艺
2011-1-15
CMOS
比较器
比较器
37
一、集成电压比较器简介
常用的国产典型产品有： 常用的国产典型产品有： 高速单电压比较器CJ0710、CJ0510， 高速单电压比较器 、 ， 精密双电压比较器CJ0119， 精密双电压比较器 ， 四电压比较器CJ0399等 四电压比较器 等
2011-1-15
31
窗口比较器
VO
VL
VR2
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VR1 Vi
32
VO 5V
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-2V
1V
Vi
33
四、窗口比较器
注意
A1与A2的输出端不能直接相连，因为当 的输出端不能直接相连， A1与A2的输出电压极性相反时，将互为 的输出电压极性相反时， 对方提供低阻通路而导致运放烧毁。 对方提供低阻通路而导致运放烧毁。 窗口比较器用处很多， 窗口比较器用处很多，如在产品的自动 分选、质量鉴别等情况均用到它。 分选、质量鉴别等情况均用到它。
2011-1-15
u0
U OH
u+ − u−
U OL
5
3.4.1概述 概述
电压比较器电路包括差动输入级、 电压比较器电路包括差动输入级、高增 差动输入级 三部分。 益放大级和逻辑电平输出级三部分 益放大级和逻辑电平输出级三部分。差 动输入级保证比较器具有与运放可比拟 的输入参数，即低的Vos、Ios和宽的共 的输入参数，即低的 、 和宽的共 模输入电压范围等。 模输入电压范围等。高增益放大级保证 比较器有高的分辨率和转换速率。 比较器有高的分辨率和转换速率。逻辑 电平输出级保证比较器可直接与各类数 字逻辑电路相接口。 字逻辑电路相接口。
27
滞回电平比较器
滞后电平可用R 调节，只要Δ 选 滞后电平可用 2调节，只要ΔV选 择合适，就可消除上述“振铃” 择合适，就可消除上述“振铃”现 从而大大提高抗干扰能力。 象，从而大大提高抗干扰能力。但 滞后电平Δ 的存在 的存在， 滞后电平ΔV的存在，会使检测灵敏 度变差，所以Δ 不宜取得过大 不宜取得过大， 度变差，所以ΔV不宜取得过大，通 常R2<< R3。
2011-1-15
18
“振铃”现象 振铃”
ui
o
u0
Uz
t
o
2011-1-15
−U z
t
19
三、滞回电平比较器
也称“ （也称“施密特触发器 ”、“滞回 电平比较器” 迟滞电平比较器” 电平比较器”、“迟滞电平比较器” 等） 克服比较器的“振铃”现象， 克服比较器的“振铃”现象，可采 用滞后比较器。 用滞后比较器。 在比较器的同相端加入少量的正反 在比较器的同相端加入少量的正反 即可构成滞后比较器。 馈，即可构成滞后比较器。
2011-1-15 4
理想集成运放
运放有两个工作区： 运放有两个工作区：线性工作区和 非线性工作区。 非线性工作区。 （1）运算电路使用的是运放的线性 区。 （2）电压比较器使用的是运放的非 线性区。 线性区。 如果输入信号太大， 如果输入信号太大，使得集成 运放超过了线性放大的范围，则运 运放超过了线性放大的范围， 放的输出电压就不再随着输入电压 线性增长，此时运放达到饱和， 线性增长，此时运放达到饱和，集 成运放的传输特性如图
+
R2 + R3
-
R
R2 + R3
OH
R2 + R3
vi
当 vi 从足够低逐渐上升到阈值时VTH1= V+ 从足够低逐渐上升到阈值时V
R1
i
来自百度文库
Vo
R4
o
+VZ
R2
R
+
R3
±
Z
-VZ
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Vi
22
反相滞回电平比较器
v 足够高时， 为低电平V 当 vi 足够高时， o 为低电平VOL=-VZ
2011-1-15
2
概述
比较器的输入量是模拟量， 比较器的输入量是模拟量，输出量 是数字量， 是数字量，所以它兼有模拟电路和 数字电路的某些属性， 数字电路的某些属性，是模拟电路 和数字电路之间联系的桥梁， 和数字电路之间联系的桥梁，是重 要的接口电路。 要的接口电路。
模拟量
2011-1-15
数字量
20
2011-1-15
滞回电平比较器
R1
i
R2 + R3
R4
o
R
±
Z
反相输入
R1
R
R2 + R3
R4
o
i
±
Z
同相输入
21
2011-1-15
反相滞回电平比较器
v 足够低时， 为高电平， 当 vi足够低时， o 为高电平，VOH=+VZ R3 正向过程 V + R2 V = R3VR + R2VOH V =
R1 V = Vi =+− V− = 0 VR R2
二、任意电平比较器
2011-1-15
17
二、任意电平比较器
任意电平比较器当V 达到比较电平时， 任意电平比较器当 i达到比较电平时，立即 翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高， 翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高，但 若被测信号叠加一定的干扰信号时， 若被测信号叠加一定的干扰信号时，可能使 比较器产生振荡，造成误翻转，这就是所谓 比较器产生振荡，造成误翻转， 电平比较器的“振铃”现象。 电平比较器的“振铃”现象。
10
限幅电路与过电保护电路
2011-1-15
11
稳压二级管（齐纳二极管） 稳压二级管（齐纳二极管）
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击 PN 穿区具有稳定电压的特性来工作的。 穿区具有稳定电压的特性来工作的。我们把这种 类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、 类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检 波和其他单向导电场合的二极管。 波和其他单向导电场合的二极管。 正向：普通二极管的特性 正向： 反向： 反向：稳压管工作在方向 击穿区
2011-1-15 28
四、窗口比较器
窗口比较器的功能是判断输入 窗口比较器的功能是判断输入 信号电平是否在某一范围之内。 信号电平是否在某一范围之内。 由两个任意电平比较器适当组 合而构成。 合而构成。
2011-1-15 29
图3-43 窗口电压比较器及传输特性 （a）窗口电压比较器 ） (b)传输特性 传输特性
2011-1-15 7
3.4.2比较器的应用 比较器的应用
一、差动电压比较器
2011-1-15
8
差动电压比较器
2011-1-15
9
差动型电压比较器
阈值电压（又称门槛电平）是使比较器 输出电压发生跳变时的输入电压值，简 称阈值 传输特性是比较器的输出电压与输入电 压在平面直角坐标系上的关系
2011-1-15
R
R2 + R3
R4
o
i
±
Z
VTH1
R2 R2 = (1 + )V R − VO L R3 R3
VTH2
R2 R2 = (1 + )VR − VOH R3 R3
两个阈值的差值称为回差： 两个阈值的差值称为回差：
2011-1-15
∆VTH = VTH 1 − VTH2
26
滞回电压比较器
2011-1-15
对集成比较器的要求
有较高的开环增益A 有较高的开环增益 o，Ao越大比较器的灵敏 度越高 响应速度快 有较高的CMRR和允许共模输入电压 有较高的 和允许共模输入电压 Vos, Ios要低
2011-1-15
36
集 成 比 较 器 数 目
单比较器 双比较器 四比较器等 双 比较器
信 号 相 应 速 度
3.4电压比较器与应用 电压比较器与应用
2011-1-15
1
3.4.1 概述
模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟 输入电压相对大小的器件。 输入电压相对大小的器件。这两个模拟输入 电压，可以一个是模拟输入信号， 电压，可以一个是模拟输入信号，另一个是 参考电压，也可以两个都是模拟输入电压。 参考电压，也可以两个都是模拟输入电压。 比较器的输出反映两个输入量之间相对大小 的关系。 的关系。
2011-1-15
38
二、集成电压比较器的应用
2011-1-15
39
2011-1-15
40
V
O
V
L
V
R 2
2011-1-15 41
Vi
3
3.4.1概述 概述
普通运放有时也能作比较器， 普通运放有时也能作比较器，只要它的输出 电平被钳位在要求的逻辑电平即可。 电平被钳位在要求的逻辑电平即可。但运放 电路在设计时， 电路在设计时，重点考虑的是输出与输入之 间的线性放大特性以及稳定性（ 间的线性放大特性以及稳定性（包括频率补 等重要指标， 偿）等重要指标，而运放的响应时间一般较 长。 为解决响应时间和电平匹配问题， 为解决响应时间和电平匹配问题，电压比较 器被设计成专用的电路，并出现了各种集成 器被设计成专用的电路， 电压比较器。 电压比较器。
3.4.1概述 概述
比较器的技术指标主要有： 比较器的技术指标主要有：分辨率 的高低、比较速度的快慢、 的高低、比较速度的快慢、输入电 压范围的宽窄， 压范围的宽窄，以及逻辑电平兼容 性的强弱。 性的强弱。 一个性能优良的比较器应具有高的 分辨率、快的比较速度、宽的输入 分辨率、快的比较速度、 电压范围和强的逻辑兼容性。 电压范围和强的逻辑兼容性。
Vi
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±
=10K， =15K， =30K， =3K， R1=10K，R2=15K，R3=30K，R4=3K，VR=0V， ， VZ=6V，根据式（3-25）和式（3-26）计算 ，根据式（ ）和式（ ） VTH1=2V, VTH2 = -2V。
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R1
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3.4.2 集成电压比较器
特点： 特点： 输出的高低电平分别与数字电路的逻辑“ 和逻辑“ 输出的高低电平分别与数字电路的逻辑“1”和逻辑“0”电 平相等，能与各种数字电路的电平兼容， 平相等，能与各种数字电路的电平兼容，有些比较器输出还 可以直接驱动继电器和指示灯，且电源的选择范围较大； 可以直接驱动继电器和指示灯，且电源的选择范围较大；单35 2011-1-15 电源或双电源， 电源或双电源，使用简单方便
负向过程 R3 R3V R − R 2V Z R2 V+ = VR + ( −V Z ) = R 2 + R3 R 2 + R3 R 2 + R3
从 vi 足够高逐渐下降使由跳变为的阈值为VTH2= 足够高逐渐下降使由跳变为的阈值为V Vo V+
R1
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R2 + R3
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+VZ
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限幅电路与过电保护电路
2011-1-15
13
限幅电路与过电保护电路
2011-1-15
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二、任意电平比较器
1.非过零比较器 非过零比较器
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二、任意电平比较器
2．求和型任意电平比较器 ． 阈值电压： 阈值电压： 电压
±
2011-1-15
R1 R2 V− = VR + Vi R1 + R 2 R1 + R 2 16
2011-1-15
D1、D2作用是防止 作用是防止 电流回流损坏运放
电阻为限流和电平匹配设置。 电阻 为限流和电平匹配设置。 为限流和电平匹配设置
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四、窗口比较器
假定参考电压VR1＞VR2 ＞ 假定参考电压 当Vi＞ VR1 时，A1输 时，A1输 当Vi< ＞Vi＞ 当VR1 VR2时 VR2输 ＞ 出为1电平，A2输出为 出为0电平 的输出 电平， 输出 出为 电平，A2输出 时，A1、A2的输出 、 0电平，二极管D1导 电平， 为1电平，二极管D1 电平 均为0电平 二极管 电平， 均为 电平，晶体管 通，D2截止，晶体管 截止， 输出Vo为 导通， 截止，D2导通 为1 T截止，输出 ，晶体 截止， 导通 截止 T饱和导通，输出Vo为 饱和导通， 管T饱和导通 电平。 电平饱和导通，同样 。 0电平。 为0电平。 输出Vo为 电平 电平。 输出
比较器 比较器 比较器
比较器 比较器
集 成 制 造 工 艺
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CMOS
比较器
比较器
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一、集成电压比较器简介
常用的国产典型产品有： 常用的国产典型产品有： 高速单电压比较器CJ0710、CJ0510， 高速单电压比较器 、 ， 精密双电压比较器CJ0119， 精密双电压比较器 ， 四电压比较器CJ0399等 四电压比较器 等
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窗口比较器
VO
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VR2
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VR1 Vi
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VO 5V
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-2V
1V
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四、窗口比较器
注意
A1与A2的输出端不能直接相连，因为当 的输出端不能直接相连， A1与A2的输出电压极性相反时，将互为 的输出电压极性相反时， 对方提供低阻通路而导致运放烧毁。 对方提供低阻通路而导致运放烧毁。 窗口比较器用处很多， 窗口比较器用处很多，如在产品的自动 分选、质量鉴别等情况均用到它。 分选、质量鉴别等情况均用到它。
2011-1-15
u0
U OH
u+ − u−
U OL
5
3.4.1概述 概述
电压比较器电路包括差动输入级、 电压比较器电路包括差动输入级、高增 差动输入级 三部分。 益放大级和逻辑电平输出级三部分 益放大级和逻辑电平输出级三部分。差 动输入级保证比较器具有与运放可比拟 的输入参数，即低的Vos、Ios和宽的共 的输入参数，即低的 、 和宽的共 模输入电压范围等。 模输入电压范围等。高增益放大级保证 比较器有高的分辨率和转换速率。 比较器有高的分辨率和转换速率。逻辑 电平输出级保证比较器可直接与各类数 字逻辑电路相接口。 字逻辑电路相接口。
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滞回电平比较器
滞后电平可用R 调节，只要Δ 选 滞后电平可用 2调节，只要ΔV选 择合适，就可消除上述“振铃” 择合适，就可消除上述“振铃”现 从而大大提高抗干扰能力。 象，从而大大提高抗干扰能力。但 滞后电平Δ 的存在 的存在， 滞后电平ΔV的存在，会使检测灵敏 度变差，所以Δ 不宜取得过大 不宜取得过大， 度变差，所以ΔV不宜取得过大，通 常R2<< R3。
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“振铃”现象 振铃”
ui
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−U z
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三、滞回电平比较器
也称“ （也称“施密特触发器 ”、“滞回 电平比较器” 迟滞电平比较器” 电平比较器”、“迟滞电平比较器” 等） 克服比较器的“振铃”现象， 克服比较器的“振铃”现象，可采 用滞后比较器。 用滞后比较器。 在比较器的同相端加入少量的正反 在比较器的同相端加入少量的正反 即可构成滞后比较器。 馈，即可构成滞后比较器。
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理想集成运放
运放有两个工作区： 运放有两个工作区：线性工作区和 非线性工作区。 非线性工作区。 （1）运算电路使用的是运放的线性 区。 （2）电压比较器使用的是运放的非 线性区。 线性区。 如果输入信号太大， 如果输入信号太大，使得集成 运放超过了线性放大的范围，则运 运放超过了线性放大的范围， 放的输出电压就不再随着输入电压 线性增长，此时运放达到饱和， 线性增长，此时运放达到饱和，集 成运放的传输特性如图
+
R2 + R3
-
R
R2 + R3
OH
R2 + R3
vi
当 vi 从足够低逐渐上升到阈值时VTH1= V+ 从足够低逐渐上升到阈值时V
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来自百度文库
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+VZ
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Vi
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反相滞回电平比较器
v 足够高时， 为低电平V 当 vi 足够高时， o 为低电平VOL=-VZ
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2
概述
比较器的输入量是模拟量， 比较器的输入量是模拟量，输出量 是数字量， 是数字量，所以它兼有模拟电路和 数字电路的某些属性， 数字电路的某些属性，是模拟电路 和数字电路之间联系的桥梁， 和数字电路之间联系的桥梁，是重 要的接口电路。 要的接口电路。
模拟量
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滞回电平比较器
R1
i
R2 + R3
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反相输入
R1
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R2 + R3
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同相输入
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反相滞回电平比较器
v 足够低时， 为高电平， 当 vi足够低时， o 为高电平，VOH=+VZ R3 正向过程 V + R2 V = R3VR + R2VOH V =
R1 V = Vi =+− V− = 0 VR R2
二、任意电平比较器
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二、任意电平比较器
任意电平比较器当V 达到比较电平时， 任意电平比较器当 i达到比较电平时，立即 翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高， 翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高，但 若被测信号叠加一定的干扰信号时， 若被测信号叠加一定的干扰信号时，可能使 比较器产生振荡，造成误翻转，这就是所谓 比较器产生振荡，造成误翻转， 电平比较器的“振铃”现象。 电平比较器的“振铃”现象。
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限幅电路与过电保护电路
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稳压二级管（齐纳二极管） 稳压二级管（齐纳二极管）
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击 PN 穿区具有稳定电压的特性来工作的。 穿区具有稳定电压的特性来工作的。我们把这种 类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、 类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检 波和其他单向导电场合的二极管。 波和其他单向导电场合的二极管。 正向：普通二极管的特性 正向： 反向： 反向：稳压管工作在方向 击穿区
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四、窗口比较器
窗口比较器的功能是判断输入 窗口比较器的功能是判断输入 信号电平是否在某一范围之内。 信号电平是否在某一范围之内。 由两个任意电平比较器适当组 合而构成。 合而构成。
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图3-43 窗口电压比较器及传输特性 （a）窗口电压比较器 ） (b)传输特性 传输特性
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3.4.2比较器的应用 比较器的应用
一、差动电压比较器
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8
差动电压比较器
2011-1-15
9
差动型电压比较器
阈值电压（又称门槛电平）是使比较器 输出电压发生跳变时的输入电压值，简 称阈值 传输特性是比较器的输出电压与输入电 压在平面直角坐标系上的关系
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R
R2 + R3
R4
o
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Z
VTH1
R2 R2 = (1 + )V R − VO L R3 R3
VTH2
R2 R2 = (1 + )VR − VOH R3 R3
两个阈值的差值称为回差： 两个阈值的差值称为回差：
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∆VTH = VTH 1 − VTH2
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滞回电压比较器
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对集成比较器的要求
有较高的开环增益A 有较高的开环增益 o，Ao越大比较器的灵敏 度越高 响应速度快 有较高的CMRR和允许共模输入电压 有较高的 和允许共模输入电压 Vos, Ios要低
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集 成 比 较 器 数 目
单比较器 双比较器 四比较器等 双 比较器
信 号 相 应 速 度
3.4电压比较器与应用 电压比较器与应用
2011-1-15
1
3.4.1 概述
模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟 输入电压相对大小的器件。 输入电压相对大小的器件。这两个模拟输入 电压，可以一个是模拟输入信号， 电压，可以一个是模拟输入信号，另一个是 参考电压，也可以两个都是模拟输入电压。 参考电压，也可以两个都是模拟输入电压。 比较器的输出反映两个输入量之间相对大小 的关系。 的关系。
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二、集成电压比较器的应用
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R 2
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Vi
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3.4.1概述 概述
普通运放有时也能作比较器， 普通运放有时也能作比较器，只要它的输出 电平被钳位在要求的逻辑电平即可。 电平被钳位在要求的逻辑电平即可。但运放 电路在设计时， 电路在设计时，重点考虑的是输出与输入之 间的线性放大特性以及稳定性（ 间的线性放大特性以及稳定性（包括频率补 等重要指标， 偿）等重要指标，而运放的响应时间一般较 长。 为解决响应时间和电平匹配问题， 为解决响应时间和电平匹配问题，电压比较 器被设计成专用的电路，并出现了各种集成 器被设计成专用的电路， 电压比较器。 电压比较器。