1、電壓比較器電路的原理

摘要：本文主要介紹了電壓比較器電路的原理、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和性能分析。首先，對(duì)電壓比較器電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述，然后從四個(gè)方面詳細(xì)闡述了其工作原理、常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景、設(shè)計(jì)考慮因素以及性能分析。通過(guò)本文的闡述，讀者可以更好地理解和應(yīng)用電壓比較器電路。

1、工作原理

在這一部分中，我們將介紹電壓比較器的基本工作原理。首先講解了基于差動(dòng)放大器的比較器結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)說(shuō)明了輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間的比較過(guò)程。接著討論了幾種常見(jiàn)的比較方式，如單端輸入模式和差分輸入模式，并對(duì)它們進(jìn)行了對(duì)比和分析。

2、常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景

在這一部分中，我們將探討一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景，在實(shí)際生活中廣泛使用到電壓比較器電路。例如，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用寬限時(shí)間窗口來(lái)檢測(cè)傳感器輸出是否超出預(yù)定范圍;在模擬信號(hào)處理領(lǐng)域使用零漂校正技術(shù)來(lái)提高精度等等。通過(guò)這些實(shí)際應(yīng)用案例，讀者可以更好地理解電壓比較器電路的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3、設(shè)計(jì)考慮因素

在這一部分中，我們將討論設(shè)計(jì)電壓比較器電路時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。首先介紹了輸入偏置和輸入失調(diào)等參數(shù)對(duì)比較器性能的影響，并提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和技巧。接著講解了功耗、速度和輸出驅(qū)動(dòng)能力等方面的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并給出了一些實(shí)際案例來(lái)說(shuō)明如何優(yōu)化比較器電路的性能。

4、性能分析

在這一部分中，我們將對(duì)電壓比較器電路進(jìn)行性能分析。首先介紹了常見(jiàn)的指標(biāo)參數(shù)，如增益、帶寬和響應(yīng)時(shí)間等，并詳細(xì)說(shuō)明它們之間的關(guān)系以及對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。接著討論了噪聲與抗干擾技術(shù)，在高精度測(cè)量系統(tǒng)中起到重要作用，并提供了相關(guān)算法和方法。

總結(jié)：

通過(guò)本文對(duì)于電壓比較器電路原理、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和性能分析方面內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述，讀者可以更好地理解和應(yīng)用電壓比較器電路。同時(shí)，本文還提供了一些實(shí)際案例和設(shè)計(jì)技巧，幫助讀者更好地進(jìn)行電壓比較器電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2、簡(jiǎn)單電壓比較器電路圖大全

電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒別與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器。

電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：

當(dāng)”+”輸入端電壓高于”-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平;

當(dāng)”+”輸入端電壓低于”-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平;

LM358 2腳接兩只2K電阻從5V分得2.5電壓作為參考電壓，3腳接10K電阻得到0-5V電壓來(lái)作比較電壓，當(dāng)3腳電壓高于2.5伏，比較器1腳輸出高電平等于電源電壓5V，當(dāng)3腳電壓低于2腳的2.5V，1腳輸出低電平等于0V，1腳輸出經(jīng)5.1K電阻連接到電壓跟隨器5腳，由7腳輸出經(jīng)R3到驅(qū)動(dòng)三極管Q1放大驅(qū)動(dòng)電流后流經(jīng)LED1，使LED1發(fā)光或不發(fā)光。7腳輸出5V時(shí)，LED1發(fā)光，7腳輸出0V時(shí)，LED1不發(fā)光。

R8是LED1的限流電阻。LM358 123這組運(yùn)放組成電壓比較器，567這組運(yùn)放組成電壓跟隨器，電壓放大0倍，也就是輸入多少，輸出就是多少。

電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅和比較的電路，在測(cè)量和控制中有廣泛的應(yīng)用。利用集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的特性，可以構(gòu)成多種電壓比較電路。

圖1是一種最簡(jiǎn)單的單限電壓比較器，其同相輸入端接地即參考電壓為零。圖中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)(沒(méi)有反饋)，由于集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，即使輸入端有一個(gè)非常小的差值信號(hào)，也會(huì)使輸出達(dá)到飽和值，因此集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)。集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸出電壓uo只有高電平、低電平兩種可能。當(dāng)輸入信號(hào)ui》0，則uo= ﹣UOM;當(dāng)輸入信號(hào)ui《0，則uo= + UOM。輸入信號(hào)每次經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)輸出都要跳變，因而稱(chēng)為過(guò)零比較器。

若電壓比較器的參考電壓不為零，而是某一數(shù)值UREF，則構(gòu)成圖2所示的一般單限電壓比較器。若將參考電壓接在反相輸入端，輸入信號(hào)接在同相輸入端，則當(dāng)輸入信號(hào)ui》 UREF，則uo= + UOM;ui《 UREF，則uo= -UOM。需要指出的是，電壓比較器中，使輸出電壓uo從高電平躍變?yōu)榈碗娖?或者從低電平躍變?yōu)楦唠娖?的輸入電壓稱(chēng)為閥值電壓，或轉(zhuǎn)折電壓，記作UT。求閥值電壓方法：分析計(jì)算up和un，然后使up=un，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的ui=UT就是。例如，圖2(a)所示電路的閥值電壓即為UT= UREF 。這種電壓比較器的特點(diǎn)是，輸入信號(hào)每次經(jīng)過(guò)參考電壓UREF時(shí)輸出要跳變，也稱(chēng)為一般單限電壓比較器。

實(shí)際應(yīng)用中，為了限定運(yùn)放輸出電壓的幅值，以便與輸出端所接負(fù)載電平相配合，一般的電壓比較器的輸出端接入雙向穩(wěn)壓管DZ進(jìn)行雙向限幅，如圖3(a)所示。R是限幅電阻，當(dāng)輸入信號(hào)ui》 UREF，則uo=+UZ;當(dāng)輸入信號(hào)ui《 UREF，，則uo=-UZ，電壓傳輸特性如圖3(b)所示。

非反相比較

在非反相比較器的參考電壓施加到反相輸入電壓進(jìn)行比較適用于非反相輸入。每當(dāng)進(jìn)行比較的電壓(Vin)以上的參考電壓進(jìn)入運(yùn)放的輸出擺幅積極飽和度(V +)，和副反之亦然。實(shí)際上發(fā)生了什么是VIN和Vref(VIN - VREF)之間的差異，將是一個(gè)積極的價(jià)值和由運(yùn)放放大到無(wú)窮大。由于沒(méi)有反饋電阻Rf，運(yùn)放是在開(kāi)環(huán)模式，所以電壓增益(AV)將接近無(wú)窮。+所以最大的可能值，即輸出電壓擺幅，V。請(qǐng)記住公式AV = 1 +(Rf/R1)。當(dāng)VIN低于VREF，反向發(fā)生。

反相比較

在相比較的情況下，參考電壓施加到非反相輸入和電壓進(jìn)行比較適用于反相輸入。每當(dāng)輸入電壓(Vin)高于VREF，運(yùn)放的輸出擺幅負(fù)飽和。倒在這里，兩個(gè)電壓(VIN-VREF)之間的差異和由運(yùn)放放大到無(wú)窮大。記住公式AV = -Rf/R1。在反相模式下的電壓增益的計(jì)算公式是AV = -Rf/R1.Since沒(méi)有反饋電阻，增益將接近無(wú)窮，輸出電壓將盡可能即負(fù)，V-。

實(shí)際電壓比較器電路

一種實(shí)用的非基于UA741運(yùn)放的反相比較器如下所示。這里使用R1和R2組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參考電壓。該方程是VREF =(五+ /(R1 + R2)的)×R2的。代入這個(gè)方程電路圖值，VREF = 6V。當(dāng)VIN高于6V，輸出擺幅?+12 V直流，反之亦然。從A + / - 12V直流雙電源供電電路。

使用電壓比較器LM324組成的電平測(cè)試電路

如圖所示為使用電壓比較器LM324組成的測(cè)試電路。其特點(diǎn)是便于檢測(cè)閾值電平的調(diào)整，可測(cè)試DTL、TTL、CMOS等多種邏輯電平。由電壓比較器的原理可知：當(dāng)同相輸入端(正端)電壓高于反相輸入端(負(fù)端)電壓時(shí)，比較器輸出高電平;反之，則輸出低電平。RP為比較電壓調(diào)整電位器，當(dāng)UIN高于設(shè)置電壓時(shí)，7腳輸出高電平，顯示1，同時(shí)小數(shù)點(diǎn)dp發(fā)光;UIN低于設(shè)置電壓時(shí)，1腳輸出高電平顯示0，但小數(shù)點(diǎn)不亮;當(dāng)檢測(cè)到高、低變化的時(shí)鐘脈沖時(shí)，若頻率很低，可見(jiàn)0、1交替顯示。頻率較高時(shí)，0、1變化非?？?，所以只見(jiàn)顯示為0，同時(shí)小數(shù)點(diǎn)dp發(fā)光，這種“帶點(diǎn)的零”即可表示檢測(cè)的是時(shí)鐘脈沖。

簡(jiǎn)單電壓比較器電路圖：交流信號(hào)三分配放大器

此電路可將輸入交流信號(hào)分成三路輸出，三路信號(hào)可分別用作指示、控制、分析等用途。而對(duì)信號(hào)源的影響極小。因運(yùn)放Ai輸入電阻高，運(yùn)放A1-A4均把輸出端直接接到負(fù)輸入端，信號(hào)輸入至正輸入端，相當(dāng)于同相放大狀態(tài)時(shí)Rf=0的情況，故各 放大器電 壓放大倍數(shù)均為1，與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。

R1、R2組成1/2V+偏置，靜態(tài)時(shí)A1輸出端電壓為1/2V+，故運(yùn)放A2-A4輸出端亦為1/2V+，通過(guò)輸入輸出電容的隔直作用，取出交流信號(hào)，形成三路分配輸出。

簡(jiǎn)單電壓比較器電路圖：LM324作有源帶通濾波器

許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個(gè)不同頻段的信號(hào)，在顯示上利用發(fā)光二極管點(diǎn)亮的多少來(lái)指示出信號(hào)幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ，在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質(zhì)因數(shù) ，3dB帶寬B=1/(п*R3*C)也可根據(jù)設(shè)計(jì)確定的Q、fo、Ao值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/(2пfoAoC)，R2=Q/((2Q2-Ao)*2пfoC)，R3=2Q/(2пfoC)。上式中，當(dāng)fo=1KHz時(shí)，C取0.01Uf。此電路亦可用 于一般的選頻放大。

此電路亦可使用單電源，只需將運(yùn)放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運(yùn)放正輸入端既可。

3、常見(jiàn)電壓比較器電路

單限比較器

(a)給出了一個(gè)基本單限比較器，輸入信號(hào)Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反向輸入端接到一個(gè)參考電壓(門(mén)限電平)Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，輸出為高點(diǎn)平UOH。圖1(b)為其傳輸特性。

為某儀器中過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路。它用單電源供電，1/4LM339的反相輸入端加一個(gè)固定的參考電壓，它的值取決于R1于R2。

Ur=R2/(R1+R2)×UCC

同相端的電壓就等于熱敏元件Rt的電壓降。當(dāng)機(jī)內(nèi)溫度為設(shè)定值以下時(shí)，'﹢'端電壓大于'﹣'端電壓，Uo為高電位。當(dāng)溫度上升為設(shè)定值以上時(shí)，'﹣'端電壓大于'﹢'端，比較器反轉(zhuǎn)，Uo輸出為零電位，使保護(hù)電路動(dòng)作。調(diào)節(jié)R1的值可以改變門(mén)限電壓，既設(shè)定溫度值的大小。

遲滯比較器

遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號(hào)Uin在門(mén)限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)(起伏)。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。

圖3(a)給出了一個(gè)遲滯比較器，人們所熟悉的“史密特”電路即是有遲滯的比較器。圖3(b)為遲滯比較器的傳輸特性。

不難看出，當(dāng)輸出狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過(guò)ΔU之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的。但隨之而來(lái)的是分辨率降低。因?yàn)閷?duì)遲滯比較器來(lái)說(shuō)，它不能分辨差別小于ΔU的兩個(gè)輸入電壓值。

遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。

如果需要將一個(gè)跳變電固定在某一個(gè)參考電壓值上，可在正反饋電路中接入一個(gè)非線(xiàn)性元件，如晶體二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦裕憧蓪?shí)現(xiàn)上述要求。

圖5為某電磁爐電路中電網(wǎng)過(guò)電壓檢測(cè)電路部分。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，1/4LM339的U4<2.8V，U5=2.8V，輸出開(kāi)路，過(guò)電壓保護(hù)電路不工作，作為正反饋的射極跟隨器BG1是導(dǎo)通的。

當(dāng)電網(wǎng)電壓大于242V時(shí)，U4>2.8V，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為0V，BG1截止，U5的電壓就完全決定于R1與R2的分壓值，為2.7V，促使U4更大于U5，這就使翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)極為穩(wěn)定，避免了過(guò)壓點(diǎn)附近由于電網(wǎng)電壓很小的波動(dòng)而引起的不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

由于制造了一定的回差(遲滯)，在過(guò)電壓保護(hù)后，電網(wǎng)電壓要降到242-5=237V時(shí)，U4<u3，電磁爐才又開(kāi)始工作。這正是我們所期望的。< p="">

雙限比較器

即窗口比較器。

圖6(a)電路由兩個(gè)LM339組成一個(gè)窗口比較器。當(dāng)被比較的信號(hào)電壓Uin位于門(mén)限電壓之間時(shí)(UR1<uinUR2或Uin<ur1)輸出為低電位(uo=uol)，窗口電壓Δu=ur2-ur1。它可用來(lái)判斷輸入信號(hào)電位是否位于指定門(mén)限電位之間。< p="">