比较器的应用探究

1.差动电压比较器

电压比较器是将一个模拟输入信号v_i与一个固定的参考电压V_R进行比较和鉴别的电路。在v_i＞V_R和v_i＜V_R两种情况下，电压比较器输出高电平V_OH或低电平V_OL。当v_i一旦变化到V_R时，比较器的输出电压将从一个电平跳变到另一个电平。

参考电压为零的比较器称为零电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零位比较器，如图3-53a、b所示。

图3-53 过零比较器

因参考电压V_R=0，故输入电压v_i与0V进行比较。以反相输入为例，当v_i＜0时，由于同相输入端接地，且运放处于开环状态，净输入信号v_d=v_i=V_--V₊＜0。因此，只要加入很小的输入信号v_i，便足以使输出电压达到高电平V_OH。同理，当v_i＞0时，输出电压达到低电平V_OL。而当v_i变化经过零时，输出电压从一个电平跳变到另一个电平，因此也称此种比较器为过零比较器。

通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。

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，用符号V_TH表示。估算阈值主要抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等（两个输入端的电流也视为零），即V₊=V_-。对于图3-53a所示的电路，V_-=0，V₊=0，V_TH=0。

传输特性是比较器的输出电压v_o与输入电压v_i在平面直角坐标系上的关系。画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器的具体电路，分析在输入电压由最低到最高（正向过程）和输入电压由最高到最低（负向过程）两种情况下，输出电压的变化规律，然后画出传输特性。图3-53a所示的传输特性表明，输入电压从低逐渐升高经过零时，v_o将从高电平跳到低电平。相反，当输入电压从高电平逐渐降低经过零时，v_o将从低电平跳变为高电平。

比较器的输出通常采用集电极开路的OC门作为输出（见图3-54），注意这时输出端要外接一个上拉电阻，这样当OC门的输出晶体管截止时，比较器输出高电平，其大小等于电压V_L，如果不接上拉电阻，那么比较器的高电平是不确定的。采用OC门的优点是只要选择合适的上拉电压，就可以灵活地和后面的逻辑电平兼容。

为了分析方便，本书中有的比较器输出采用稳压管作为限幅电路（见图3-55），这时，V_OH≈+V_z，V_OL≈-V_z。注意这是为了分析方便采用的示意电路，实际应用中比较器的输出电路很少采用稳压管的限幅电路。不过在比较器的输入端并联两个相反接的二极管是很常见的做法，可以保护比较器的输入端不至于因为输入电压过大而破坏其工作状态。

图3-54 集电极开路的比较器输出电路

图3-55 限幅电路以及过电压保护电路

2.任意电平比较器（非过零比较器）

将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压V_R（设为直流电压），由于V_R的大小和极性均可调整，电路称为任意电平比较器，或称非过零比较器。在如图3-56a所示的同相输入电平比较器中，有V-=VR，V+=vi。即当vi=VR时，输出电压发生跳变，则电压传输特性如图3-56b所示，和零电平比较器的传输特性相比右移了V_R的距离。若V_R＜0，则相当于左移了|V_R|的距离。

任意电平比较器也可接成反相输入方式，只要将图3-56中的v_i和V_R位置对调即可，可自行分析。

若将输入信号v_i和参考电压V_R均接在反相输入端，则与反相加法器类似，故称反相求和型电压比较器，电路如图3-57所示。根据求阈值的临界条件，即V-=V+=0，则有

这时，对应的v_i值就是阈值V_TH。所以

或者根据，同样得到上式。它的传输特性如图3-57b所示。当R₁=10kΩ，R₂=100kΩ，V_R=10V时，则V_TH=-1V。

图3-56 任意电平比较器及传输特性

这个电平比较器将在的输入幅度条件下转换状态，可用来检测输入信号的电平，因此又称它为电平检测比较器。改变V_R大小、极性或比值，就可检测不同幅度的输入信号。

图3-57 电平检测比较器及其传输特性

电平比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，可以采用有两个不同阈值的滞回电压比较器。

3.滞回电压比较器

滞回比较器又称施密特触发器。这种比较器的特点是当输入信号v_i逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。它们的电路及传输特性如图3-58所示。比较器的输出端至反相输入端为开环。输出端至同相输入端引入正反馈，目的是加速输出状态的跃变，使比较器经过线性区过渡的时间缩短。V_R是某一固定电压，改变V_R值能改变阈值。

以图3-58a所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性。

（1）正向过程 因为图3-58a所示的电路是反相输入接法，当v_i足够低时，v_o为高电平，V_OH=+V_z；当v_i从足够低逐渐上升到阈值V_TH1时。v_o由V_OH跳变到低电平V_OL=-V_z。输出电压发生跳变的临界条件是V_-=V₊，V₊=v_i。其中(www.zuozong.com)

因为V-=V+时对应的vi值就是阈值，故有正向过程的阈值为

若v_i＜V_TH1时，v_o=V_OH=+V_z不变。当v_i逐渐上升经过V_TH1时，v_o由V_OH跳变为V_OL=-V_z，在v_i＞V_TH1以后，v_o=V_OL=-V_z保持不变，形成电压传输特性的abcd段。

（2）负向过程 当v_i足够高时，v_o为低电平V_OL=-V_z，v_i从足够高逐渐下降，使v_o由VOL跳变为VOH的阈值VTH2，再根据求阈值的临界条件V_-=V₊，得

则得负向过程的阈值为

可见，V_TH1＞V_TH2。

在v_i＞V_TH2以前，v_o=V_OL=-V_z不变；当v_i逐渐下降到v_i=V_TH2时（注意不是V_TH1），v_o跳变到V_OH，在v_i＜V_TH2以后，v_o=V_OH维持不变，形成电压传输特性的defa段。由于它与滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。据以上分析，画出图3-58a电路的完整传输特性，如图3-58c所示。

图3-58 滞回比较器及其传输特性

设图3-58a所示的反相滞回比较器的参数为R₁=10kΩ，R₂=15kΩ，R₃=30kΩ，R₄=3kΩ，V_R=0，V_z=6V，根据式（3-59）和式（3-60）计算出V_TH1=2V，V_TH2=-2V。如果输入一个三角波电压信号，可以画出它的输出电压波形是矩形波。可知，滞回比较器能将连续变化的周期信号变换为矩形波，如图3-59所示。

利用求阈值的临界条件和叠加原理的方法，不难计算出图3-58b所示的同相滞回比较器的两个阈值：

图3-59 比较器的波形变换

两个阈值的差值ΔV_TH=V_TH1-V_TH2称为回差。由上式分析可知，改变R₂的值可改变回差大小，调整V_R可改变V_TH1和V_TH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

滞回比较器由于有回差电压存在，大大提高了电路的抗干扰能力，回差ΔV_TH越大，抗干扰能力越强。因为输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过回差ΔV_TH，这种比较器的输出电压就不会来回变化。例如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图3-60a、b所示。根据传输特性和两个阈值（V_TH1=2V，V_TH2=-2V），可画出输出电压v_o的波形，如图3-60c所示。由图c可见，v_i在V_TH1与V_TH2之间变化，不会引起v_o的跳变。但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。

图3-60 滞回（后）比较器抗干扰能力示意图

4.窗口电压比较器

电压比较器和滞回比较器有一个共同特点，即v_i单方向变化（正向过程或负向过程）时，v_o只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。

双限比较器又称窗口比较器。它的特点是输入信号单方向变化（例如，v_i从足够低单调升高到足够高），可使输出电压v_o跳变两次，其传输特性如图3-61b所示，它形似窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态，可用来判断v_i是否在某两个电平之间。比如，从检查产品的角度看，可区分参数值在一定范围之内和之外的产品。

窗口比较器可用两个阈值不同的电平比较器组成。阈值小的电平比较器采用反相输入接法，阈值大的电平比较器采用同相输入接法。再用两只二极管将两个简单比较器的输出端引到同一点作为输出端，具体电路如图3-61a所示，参考电压V_RH＞V_RL。下面按输入电压v_i与参考电压V_RH、V_RL的大小分3种情况分析它的工作原理。

图3-61 窗口电压比较器及其传输特性

1）当v_i＜V_RL时，v_o2为高电平，二极管VD₂导通。因为v_i＜V_RH，所以v_o1为低电平（负值），二极管VD₁截止。这种情况下该电路相当于反相输入电平比较器。此时，v_o≈v_o2=V_OH。

2）当v_i＞V_RH时，v_o1为高电平，二极管VD₁导通，因为v_i＞V_RL，所以v_o2为低电平（负值），VD₂截止。这种情况下该电路相当于同相输入简单比较器。此时，v_i≈v_o1=V_OH。

3）当V_RL＜v_i＜V_RH时，v_o1和v_o2均为低电平，VD₁和VD₂均截止，所以v_o=0，此时，窗口比较器输出为零电平。

综上所述，窗口比较器有两个阈值，它们是V_RH和V_RL，有两个稳定状态，其传输特性如图3-61b所示。

电压比较器是模拟电路与数字电路之间的过渡电路。但通用型集成运放构成的电压比较器的高、低电平与数字电路TTL器件的高、低电平的数值相差很大，一般需要加限幅电路才能驱动TTL器件，给使用带来不便，而且响应速度低。采用集成电压比较器可以克服这些缺点。