運(yùn)放比較器電路特性分析

運(yùn)算放大器比較器電路

參考上面的運(yùn)算放大器比較器電路，首先假設(shè)V IN小于V REF處的直流電壓電平（ V IN

如果現(xiàn)在增加輸入電壓V IN，使其值大于反相輸入上的參考電壓V REF，則輸出電壓會(huì)迅速將HIGH切換為正電源電壓+ Vcc，從而導(dǎo)致輸出為正飽和。如果再次降低輸入電壓V IN，使其略小于參考電壓，則運(yùn)算放大器的輸出將切換回其負(fù)飽和電壓，用作閾值檢測(cè)器。

然后可以看到運(yùn)算放大器電壓比較器是一種器件，其輸出取決于輸入電壓V IN相對(duì)于某些直流電壓電平的值，因?yàn)楫?dāng)同相輸入端的電壓為大于反相輸入電壓，當(dāng)同相輸入小于反相輸入電壓時(shí)為L(zhǎng)OW。無(wú)論輸入信號(hào)是連接到比較器的反相輸入還是同相輸入，此條件均成立。

還可以看到，輸出電壓的值完全取決于運(yùn)算放大器的電源電壓。理論上，由于運(yùn)算放大器具有很高的開(kāi)環(huán)增益，其輸出電壓的大小在兩個(gè)方向上都可能是無(wú)限的（± ∞）。但是實(shí)際上，由于明顯的原因，它受到運(yùn)放電源軌的限制，即V OUT = + Vcc或V OUT = -Vcc。

基本運(yùn)算放大器比較器通過(guò)將其輸入電壓與某個(gè)預(yù)設(shè)的DC參考電壓進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生正電壓或負(fù)電壓輸出。通常，電阻分壓器用于設(shè)置比較器的輸入?yún)⒖茧妷?，但如圖所示，可以使用電池源，齊納二極管或用于可變參考電壓的電位計(jì)。

比較器參考電壓

理論上，比較器的參考電壓可以設(shè)置為0v至電源電壓之間的任意值，但實(shí)際電壓范圍存在實(shí)際限制，具體取決于所用器件的運(yùn)算放大器比較器。

正負(fù)電壓比較器

基本的運(yùn)算放大器比較器電路可用于檢測(cè)正向或負(fù)向輸入電壓，具體取決于還將固定參考電壓源和輸入電壓連接到運(yùn)算放大器的哪個(gè)輸入。在上面的示例中，使用了反相輸入來(lái)設(shè)置參考電壓，而輸入電壓則連接到同相輸入。

但是同樣地，可以用另一種方式將比較器的輸入連接起來(lái)，以將輸出信號(hào)反相為上述所示的信號(hào)。然后，可以將運(yùn)算放大器比較器配置為以反相或同相配置工作。

正電壓比較器

正電壓比較器的基本配置（也稱(chēng)為同相比較器電路）檢測(cè)輸入信號(hào)V IN高于或高于參考電壓的正電壓V REF何時(shí)在V OUT產(chǎn)生輸出，如圖所示。

同相比較器電路

在這種同相配置中，參考電壓連接到運(yùn)算放大器的反相輸入，輸入信號(hào)連接到同相輸入。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定兩個(gè)電阻器形成分壓器網(wǎng)絡(luò)是相等的，并且：R1 = R2 = R。這將產(chǎn)生一個(gè)固定的參考電壓，該參考電壓是電源電壓的一半，即Vcc / 2，而輸入電壓可在零到電源電壓之間變化。

當(dāng)V IN大于V REF時(shí)，運(yùn)算放大器比較器的輸出將朝著正電源軌Vcc飽和。當(dāng)V IN小于V REF時(shí)，運(yùn)算放大器比較器的輸出將改變狀態(tài)，并在負(fù)電源軌0v處飽和，如圖所示。

負(fù)電壓比較器

負(fù)電壓比較器的基本配置（也稱(chēng)為反相比較器電路）可檢測(cè)輸入信號(hào)V IN低于或低于參考電壓的負(fù)值，V REF如圖所示在V OUT產(chǎn)生高輸出。

反相比較器電路

在與上面的正配置相反的反相配置中，參考電壓連接到運(yùn)算放大器的同相輸入，而輸入信號(hào)連接到反相輸入。然后，當(dāng)V IN小于V REF時(shí)，運(yùn)算放大器比較器的輸出將向正電源軌Vcc飽和。

同樣，當(dāng)V IN大于V REF時(shí)，情況也是如此，運(yùn)算放大器比較器的輸出將改變狀態(tài)并向負(fù)電源軌0v飽和。

然后，根據(jù)用于信號(hào)和參考電壓的運(yùn)算放大器輸入，可以產(chǎn)生一個(gè)反相或同相輸出。通過(guò)組合上面的兩個(gè)運(yùn)算放大器比較器電路以產(chǎn)生一個(gè)窗口比較器電路，可以進(jìn)一步一步一步地檢測(cè)到負(fù)信號(hào)或正信號(hào)。

窗口比較器

甲窗口比較器是基本上反相和以上組合成單個(gè)比較器級(jí)的非反相比較器。窗口比較器檢測(cè)在特定電壓帶或電壓窗口內(nèi)的輸入電壓電平，而不是指示電壓是大于還是小于某個(gè)預(yù)設(shè)或固定電壓參考點(diǎn)。

這次，窗口比較器將不再具有僅一個(gè)參考電壓值，而是將具有由一對(duì)電壓比較器實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)參考電壓。一種在檢測(cè)到某個(gè)較高電壓閾值V REF（UPPER）時(shí)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器，另一種在檢測(cè)到較低電壓閾值V REF（LOWER）時(shí)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器。然后，這兩個(gè)上下參考電壓之間的電壓電平稱(chēng)為“窗口”，因此得名。

電路的初始開(kāi)關(guān)條件是運(yùn)算放大器A 1的集電極開(kāi)路輸出為“ OFF”，運(yùn)算放大器A 2的集電極開(kāi)路輸出為“ ON”（吸收電流），因此V OUT等于0V。

當(dāng)V IN低于較低電壓電平時(shí)，V REF（LOWER）等于1 / 3Vcc，V OUT將為低電平。當(dāng)V IN超過(guò)此1 / 3Vcc的較低電壓電平時(shí)，第一個(gè)運(yùn)算放大器比較器檢測(cè)到此情況，并將其集電極開(kāi)路輸出切換為HIGH。這意味著兩個(gè)運(yùn)放同時(shí)具有高電平輸出。沒(méi)有電流流過(guò)上拉電阻R L，因此V OUT等于Vcc。

如V IN繼續(xù)增加它通過(guò)上部電壓電平，V REF（UPPER）在2 / 3Vcc時(shí)。此時(shí)，第二個(gè)運(yùn)算放大器比較器檢測(cè)到此情況，并將其輸出切換為L(zhǎng)OW，并且V OUT等于0V。

然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之間的差（在本示例中為2 / 3Vccc – 1 / 3Vcc）創(chuàng)建了正向信號(hào)的切換窗口。

現(xiàn)在讓假設(shè)V IN為最大值，并且等于Vcc。當(dāng)V IN減小時(shí)，它通過(guò)第二個(gè)運(yùn)算放大器比較器的較高電壓電平V REF（UPPER），后者將輸出切換為高電平。隨著V IN繼續(xù)降低，它通過(guò)了較低的電壓電平，第一個(gè)運(yùn)算放大器比較器的V REF（LOWER）再次將輸出切換為L(zhǎng)OW。

然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之間的差為負(fù)向信號(hào)創(chuàng)建窗口。因此，可以看到，當(dāng)V IN超過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器比較器設(shè)置的上下參考電平時(shí)，輸出信號(hào)V OUT將為HIGH或LOW。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的示例中，將上限跳閘電平設(shè)置為2 / 3Vcc，將下限跳閘電平設(shè)置為1 / 3Vcc（因?yàn)槭褂昧巳齻€(gè)相等值的電阻器），但是可以通過(guò)調(diào)整輸入閾值來(lái)選擇任意值。結(jié)果，可以針對(duì)給定的應(yīng)用定制窗口寬度。

如果使用雙電源，并且將上下跳閘電平設(shè)置為±10伏，并且V IN是正弦波形，那么可以將該窗口比較器電路用作正弦波的過(guò)零檢測(cè)器，這將產(chǎn)生輸出，正弦波每次從正到負(fù)或從負(fù)到正穿過(guò)零伏線(xiàn)時(shí)為高或低。

可以通過(guò)以下方法進(jìn)一步檢測(cè)電壓電平：將多個(gè)不同的運(yùn)算放大器比較器通過(guò)一個(gè)公共輸入信號(hào)連接在一起，但每個(gè)比較器使用一個(gè)由現(xiàn)在熟悉的電源分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的不同基準(zhǔn)電壓。考慮下面的電壓電平檢測(cè)器電路。

比較器電壓電平檢測(cè)器

使用上面關(guān)于分壓器網(wǎng)絡(luò)的想法，如果現(xiàn)在使用三個(gè)等值電阻器，使得R1 = R2 = R3 = R，可以創(chuàng)建一個(gè)非常簡(jiǎn)單的窗口比較器電路，如圖所示。同樣，當(dāng)電阻值全部相等時(shí)，每個(gè)電阻上的壓降也將等于電源電壓1 / 3Vcc的三分之一。因此，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在這個(gè)簡(jiǎn)單的窗口比較器示例中，可以將較高的參考電壓設(shè)置為2 / 3Vcc，而將較低的參考電壓設(shè)置為1 / 3Vcc。

窗口比較器電路

如上所述，分壓器網(wǎng)絡(luò)為各個(gè)運(yùn)算放大器比較器電路提供了一組參考電壓。為了產(chǎn)生四個(gè)參考電壓，將需要五個(gè)電阻。底部一對(duì)電阻器的結(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生參考電壓，該電壓是使用等值電阻器的電源電壓的1 / 5Vcc的五分之一。第二對(duì)是2 / 5Vcc，第三對(duì)是3 / 5Vcc，依此類(lèi)推，這些參考電壓朝著5 / 5Vcc（實(shí)際上是Vcc）增加了五分之一（1/5）的固定量。

隨著公共輸入電壓的增加，每個(gè)運(yùn)算放大器比較器電路的輸出依次切換，從而從較低的比較器A 4開(kāi)始斷開(kāi)連接的LED，并隨著輸入電壓的增加而朝A 1向上發(fā)光。因此，通過(guò)設(shè)置分壓器網(wǎng)絡(luò)中電阻的值，可以將比較器配置為檢測(cè)任何電壓電平。使用電壓電平檢測(cè)和指示的一個(gè)很好的例子是通過(guò)反轉(zhuǎn)LED并將它們連接到0V（接地）而不是V CC來(lái)進(jìn)行電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

同樣，通過(guò)增加集合中運(yùn)算放大器比較器的數(shù)量，可以創(chuàng)建更多的觸發(fā)點(diǎn)。因此，例如，如果在鏈中有八個(gè)運(yùn)算放大器比較器，并將每個(gè)比較器的輸出饋送到8到3行數(shù)字編碼器，可以制造一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），會(huì)將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼（0至7）。

具有正反饋的運(yùn)算放大器比較器

在這里已經(jīng)看到，運(yùn)算放大器可以配置為在開(kāi)環(huán)模式下作為比較器工作，如果輸入信號(hào)變化迅速或噪聲不太大，這很好。但是，如果輸入信號(hào)V IN變化緩慢或存在電氣噪聲，則運(yùn)算放大器比較器可能會(huì)在輸入信號(hào)徘徊在+ Vcc和-Vcc兩個(gè)飽和狀態(tài)之間來(lái)回切換其輸出。參考電壓，V REF電平?？朔藛?wèn)題并避免運(yùn)算放大器振蕩的一種方法是在比較器周?chē)峁┱答仭?/p>

顧名思義，正反饋是一種通過(guò)兩個(gè)電阻設(shè)置的分壓器將同相輸出信號(hào)的一部分或一部分反饋到運(yùn)算放大器的同相輸入的技術(shù)。與他們的比例成正比。

在運(yùn)算放大器比較器周?chē)褂谜答佉馕吨坏⑤敵鲇|發(fā)為任一電平的飽和，在輸出切換回原始飽和點(diǎn)之前，輸入信號(hào)V IN必須發(fā)生重大變化。兩個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)之間的這種差異稱(chēng)為滯后現(xiàn)象，通常稱(chēng)為施密特觸發(fā)器電路?？紤]下面的反相比較器電路。

具有遲滯的反相運(yùn)算放大器比較器

對(duì)于上面的反相比較器電路，V IN被施加到運(yùn)算放大器的反相輸入。電阻器R 1和R 2在比較器兩端形成一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)，提供正反饋，一部分輸出電壓出現(xiàn)在同相輸入端。反饋量由所使用的兩個(gè)電阻的電阻比確定，并給出為：

分壓器方程

其中：β（beta）可用于指示反饋分?jǐn)?shù)。

當(dāng)輸入信號(hào)小于參考電壓V IN

隨著輸入信號(hào)V IN的增加，其正向輸入端的上跳變點(diǎn)電壓V UTP電平也變得相等。這導(dǎo)致比較器輸出將狀態(tài)更改為L(zhǎng)OW，V OL并等于負(fù)負(fù)飽和電壓。

但是這次的區(qū)別是，由于在同相輸入端現(xiàn)在出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓，該第二個(gè)跳變點(diǎn)電壓值被創(chuàng)建，該負(fù)電壓等于：-β* Vcc，這是輸出端的負(fù)飽和電壓的結(jié)果。然后，輸入信號(hào)現(xiàn)在必須降到該第二電壓電平以下，稱(chēng)為下跳變點(diǎn)或LTP，以使電壓比較器輸出改變或切換回其原始正狀態(tài)。

因此，可以看到，當(dāng)輸出改變狀態(tài)時(shí)，同相輸入端的參考電壓也會(huì)改變，從而產(chǎn)生兩個(gè)不同的參考電壓值和兩個(gè)不同的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。一個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為上跳閘點(diǎn)（UTP），另一點(diǎn)稱(chēng)為下跳閘點(diǎn)（LTP）。這兩個(gè)跳變點(diǎn)之間的差異稱(chēng)為磁滯。

磁滯量由反饋到同相輸入的輸出電壓的反饋分?jǐn)?shù)β決定。正反饋的優(yōu)勢(shì)在于，所得的比較器施密特觸發(fā)器電路不受噪聲或遲滯帶內(nèi)緩慢變化的輸入信號(hào)引起的不穩(wěn)定觸發(fā)的影響，從而產(chǎn)生更清晰的輸出信號(hào)，因?yàn)檫\(yùn)算放大器比較器的輸出僅觸發(fā)一次。

因此，對(duì)于正輸出電壓，V REF = +β* Vcc，但對(duì)于負(fù)輸出電壓，V REF =-β* Vcc。那么可以說(shuō)，電壓滯后的量為：

還可以通過(guò)改變輸入和參考端子來(lái)產(chǎn)生具有內(nèi)置磁滯的同相運(yùn)算放大器比較器電路，如下所示：

具滯回功能的同相運(yùn)算放大器比較器

請(qǐng)注意，磁滯曲線(xiàn)上的箭頭表示上下跳變點(diǎn)處的切換方向。

比較器示例1

運(yùn)算放大器將與正反饋一起使用，以產(chǎn)生施密特觸發(fā)器電路。如果電阻R 1 =10kΩ，電阻R 2 =90kΩ，則將運(yùn)放連接到±10v雙電源時(shí)，參考電壓的上下開(kāi)關(guān)點(diǎn)的值以及磁滯的寬度將是多少？供應(yīng)。

給定：R 1 =10kΩ，R 2 =90kΩ。電源+ Vcc = 10v和-Vcc = 10v。

反饋分?jǐn)?shù)：

然后，當(dāng)輸出從一個(gè)電平飽和到另一個(gè)電平時(shí)，參考電壓V REF在+ 1V和-1V之間切換。希望能從這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中看到，只需調(diào)節(jié)反饋電阻R 1和R 2的分壓比，就可以使該滯后的寬度（共2伏）變大或變小。

電壓比較器

盡管可以將諸如741的運(yùn)算放大器用作基本的比較器電路，但問(wèn)題是運(yùn)算放大器僅針對(duì)線(xiàn)性操作進(jìn)行了優(yōu)化。這就是輸入端子實(shí)際上處于相同電壓電平的地方，其輸出級(jí)被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生線(xiàn)性輸出電壓，該線(xiàn)性輸出電壓不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持飽和。此外，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器還設(shè)計(jì)用于閉環(huán)應(yīng)用，從其輸出到其反相輸入具有負(fù)反饋。

另一方面，專(zhuān)用電壓比較器是一種非線(xiàn)性設(shè)備，當(dāng)輸入信號(hào)相差相對(duì)較小時(shí)，由于其很高的增益，它可以實(shí)現(xiàn)很高的飽和度。運(yùn)算放大器比較器和電壓比較器之間的差異在于輸出級(jí)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的輸出級(jí)針對(duì)線(xiàn)性操作進(jìn)行了優(yōu)化，而電壓比較器的輸出級(jí)針對(duì)連續(xù)飽和操作進(jìn)行了優(yōu)化。總是要靠近一個(gè)供電軌或另一個(gè)供電軌，而不能位于兩者之間。

商用比較器，例如LM311單比較器，LM339四通道比較器或LM393雙差分比較器，都是電壓比較器，采用標(biāo)準(zhǔn)IC封裝，由單電源或雙電源供電。這些專(zhuān)用電壓比較器的設(shè)計(jì)目的僅是為了從一個(gè)飽和狀態(tài)非?？斓厍袚Q輸出，因?yàn)橛糜陔妷罕容^器輸出級(jí)的晶體管通常是開(kāi)關(guān)晶體管。

由于電壓比較器將線(xiàn)性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，因此它們通常用于連接兩個(gè)具有不同電源或參考電壓的不同電信號(hào)。結(jié)果，電壓比較器的輸出級(jí)通常被配置為具有打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)而不是如圖所示的實(shí)際輸出電壓的單個(gè)開(kāi)集電極（或漏極）晶體管開(kāi)關(guān)。

電壓比較器電路

此處，電壓比較器的集電極開(kāi)路輸出通過(guò)單個(gè)上拉電阻器（和用于指示的LED）連接到電壓源，該電阻將單個(gè)輸出拉高至電源。當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)為HIGH時(shí)，它將創(chuàng)建一個(gè)高阻抗路徑，因此當(dāng)V OUT = Vcc時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)。

當(dāng)比較器改變狀態(tài)并且輸出開(kāi)關(guān)為L(zhǎng)OW時(shí)，它會(huì)形成一條接地的低阻抗路徑，并且電流流過(guò)上拉電阻器（和LED），從而在其兩端產(chǎn)生電壓降，同時(shí)輸出被拉至較低的電源電平，在這種情況下接地。

然后可以看到運(yùn)算放大器比較器的原理圖符號(hào)與電壓比較器或其內(nèi)部電路之間的差異很小。主要區(qū)別在于集電極或漏極開(kāi)路配置的輸出級(jí)可用于驅(qū)動(dòng)繼電器，燈等。通過(guò)從輸出驅(qū)動(dòng)晶體管，可以提供比單獨(dú)比較器輸出更大的開(kāi)關(guān)電流容量。

文章來(lái)源：KIA半導(dǎo)體