詳解比較器器電路

一、什么是比較器？

比較器，具有兩個(gè)模擬電壓輸入端UIN+和UIN-，一個(gè)數(shù)字狀態(tài)輸出端UOUT，輸出端只有兩種狀態(tài)，用以表示兩個(gè)輸入端電位的高低關(guān)系：

UH代表高電平，UL代表低電平，具體的電位值，取決于系統(tǒng)的定義。常見的數(shù)字系統(tǒng)中，3.3V代表高電平，0V代表低電平；也有12V/5V代表高電平，0V代表低電平。

高低電平的本質(zhì)：可以明顯區(qū)分的電位。

實(shí)現(xiàn)比較器的方法：

專門的比較器

運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器（不推薦）

二、用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器

用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器，局限性較大，一般不被建議，在要求不高的場合，運(yùn)放可作為比較器。

三、簡單的運(yùn)放比較器

1、理想比較器

作比較器應(yīng)用時(shí)，一般都是將一個(gè)輸入端接成固定電位，稱為基準(zhǔn)，用UREF表示，用另一個(gè)輸入端接被測電位uI，用于衡量被測電位與基準(zhǔn)的關(guān)系。

理想運(yùn)放與其輸入輸出關(guān)系

上圖為理想運(yùn)放與其輸入輸出關(guān)系。圖中輸出只有兩種狀態(tài)：UH和UL。用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的比較器，具有極高的開環(huán)增益（不是工作在負(fù)反饋狀態(tài)下）：

當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，兩者的差乘以開環(huán)增益，一般都會超過正電源電壓，而使實(shí)際運(yùn)放輸出為正電源電壓（軌對軌運(yùn)放）。

當(dāng)輸入電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，兩者的差（負(fù)值）乘以開環(huán)增益，一般都會低于負(fù)電源電壓，而使運(yùn)放的實(shí)際輸出為負(fù)電源電壓。

2、實(shí)際比較器

實(shí)際比較器

該曲線中的紅色虛線區(qū)域?yàn)楸容^器的不靈敏區(qū)。發(fā)生在輸入電壓非常接近基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出是一個(gè)不確定的值。理想運(yùn)放組成的比較器，不靈敏區(qū)為0.

這里有個(gè)思考的問題：不靈敏區(qū)越小越好或者說比較器越靈敏越好嗎？

四、比較器的靈敏度問題

對于一個(gè)過于靈敏的比較器，往往會給系統(tǒng)帶來麻煩。因?yàn)槿粘Ｉ畹妮斎?a target="_blank">信號，它并不是一個(gè)理想的信號，它是包含噪聲信號的。

比較器靈敏度問題

將圖中藍(lán)色區(qū)域展開，可發(fā)現(xiàn)：對于一個(gè)非常靈敏的比較器， 噪聲信號是波動的，經(jīng)常會在某個(gè)點(diǎn)低于基準(zhǔn)點(diǎn)，從而使比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這就形成了有點(diǎn)所示的很多較小時(shí)間的脈沖，而這往往是不準(zhǔn)確的。

舉個(gè)例子：生活中有些場所是有人員限制的，在進(jìn)出口安裝紅外發(fā)生器和接收器，一旦有人經(jīng)過就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，但是給與比較器判斷的信號是有干擾的，如果明明進(jìn)去一個(gè)人，但是像右圖所示產(chǎn)生了7個(gè)脈沖，判斷有7個(gè)人進(jìn)去了，這是不準(zhǔn)確的。我們可以通過軟件編程的方式判斷脈沖的時(shí)間，過小的時(shí)間不可能進(jìn)去一個(gè)人，從而剔除干擾信號；也可以在模擬電路階段采取遲滯比較的方式來剔除。

如果把基準(zhǔn)電壓從單個(gè)變成兩個(gè)呢？只有一個(gè)基準(zhǔn)電壓，稱為單門限比較器；

五、遲滯比較器

遲滯比較器

如圖所示：兩個(gè)黃線表示兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，可以看出右邊黃線區(qū)間內(nèi)的噪聲信號被濾除了，雖然這種情況還是存在噪聲干擾，但是明顯比單門限好得多。這兩個(gè)基準(zhǔn)電壓越接近，效果就越接近單門限的效果。

遲滯比較器

原理：

當(dāng)輸入電壓足夠負(fù)時(shí)，運(yùn)放的負(fù)輸入端電壓總是小于正輸入端，因此輸出一定是正電源電壓+VCC(近似)，此時(shí)運(yùn)放的正輸入端作為比較基準(zhǔn)，為kVCC：

k=R1/R1+R2

隨著輸入電壓逐漸增大，工作點(diǎn)沿著紅色線一直向右移動， 到達(dá)B點(diǎn)，輸入電壓大于kVCC，此時(shí)運(yùn)放的正輸入端電壓小于負(fù)輸入端電壓，輸出變?yōu)?VEE，即從B點(diǎn)處紅色跌落。此時(shí)，比較基準(zhǔn)立即改變：由原先的kVCC變?yōu)?kVEE。這就表示：此時(shí)就算輸入電壓發(fā)生輕微的逆向翻轉(zhuǎn)，比較器也不翻轉(zhuǎn)。

圖中：假設(shè)從 A 開始，到 B 點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，到 C點(diǎn)，紅色線一直向右，然后以綠色線回轉(zhuǎn)到達(dá)kVCC 處，比較器不翻轉(zhuǎn)，沿著綠色線一直到 D 點(diǎn)，才回到 A 點(diǎn)（重新回到高電平）。

拓展：

這個(gè)比較器的輸出狀態(tài)，不僅僅與輸入狀態(tài)相關(guān)，還與當(dāng)前的輸出狀態(tài)有關(guān)，使得輸入輸出伏安特性曲線，呈現(xiàn)出類似遲滯回線的形態(tài)，因此稱為遲滯比較器。

遲滯比較器看起來比較遲鈍，但是帶來的好處是：只有明確的、強(qiáng)有力的輸入，才能引起輸出改變，而一旦改變，想要恢復(fù)，也得特別厲害的反向動作。

遲滯比較器

六、多種形態(tài)的遲滯比較器

前面提到的只是遲滯比較器的一種，它的伏安特性曲線是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，且它的兩個(gè)閾值電壓是基于0V對稱的。當(dāng)接入一個(gè)基準(zhǔn)電壓UREF這就是更為常用的比較器。

多種形態(tài)的遲滯比較器

分析：

假設(shè)運(yùn)放輸出高電平為 UOH（對理想運(yùn)放來說，此值為VCC），輸出低電平為UOL，那么對輸入信號，電路有兩個(gè)比較翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，較大的一個(gè)稱為UR+，較小的稱為UR-。

設(shè)正反饋系數(shù)為k，k值越接近于1，說明反饋越強(qiáng)烈，遲滯窗口越寬：

k=R1/R1+R2

當(dāng)輸出為高電平時(shí)，翻轉(zhuǎn)點(diǎn)為：

U R + = UOHk + UREF ( 1 ? k )

當(dāng)輸出為低電平時(shí)，翻轉(zhuǎn)點(diǎn)為：

U R ? = UOLk + UREF (1 ? k )

如果UOH=-UOL，即輸出對稱，可得到：

U R + = ( 1 ? k ) UREF + 0.5 U WDU

U R ? = ( 1 ? k ) UREF ? 0.5 UWU

其中，UWD代表兩個(gè)比較閾值之間的電壓寬度，或者叫窗口電壓。

UWD = UREF + ? U REF ? = ( VCC + VEE*（R1/R1+R2）)

拓展：

合理地選擇電路結(jié)構(gòu)，選擇電阻值，可以做出符合設(shè)計(jì)要求的遲滯比較器：可改變順逆結(jié)構(gòu)，可以改變中心閾值，可以改變閾值窗口電壓。

疊加原理分析

七、TINA-TI仿真

1、過零比較器

信號源VG1上疊加一個(gè)噪聲源VG2：

過零比較器

波形如下：

過零比較器波形

過零點(diǎn)展開：

過零比較器波形過零點(diǎn)展開

2、遲滯過零比較器

加入遲滯：

遲滯過零比較器

波形如下：

遲滯過零比較器波形

過零點(diǎn)展開：

遲滯過零比較器過零點(diǎn)展開

七、特點(diǎn)（缺點(diǎn)）

運(yùn)放的輸出取決于供電電壓，與數(shù)字電平不一定匹配。

運(yùn)放存在嚴(yán)重的過驅(qū)恢復(fù)時(shí)間，不利于高速運(yùn)行。

運(yùn)放靈敏度過高。

八、專門的比較器（實(shí)際比較器）

下面為LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊：

LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊

TINA-TI仿真

實(shí)際比較器TINA-TI仿真

波形：

實(shí)際比較器波形圖

審核編輯 ：李倩