电压比较器的应用.docx

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电压比较器的应用

零交比较器

零交比较器的功能是将输入信号与零电位进行比较，测定输入电压是大于零仍是小于零，用输出电压是高或低电平给出判断的结果。

图示出了零交比较器的电路。

图的零交比较器，是同相端接地，反相端接输入信号，相对零电平进行比较。

对图的零交比较器，又称为反相零交比较器，若将图中输入信号加在同相端，使反相接地，就取得了同相零比较器。

实际上，由于运放输入失调电压和失调电流的影响，使输入信号U1在稍许偏离零的电压上发生切换。

如图所示。

所以在实际应用中，利用调零电路对失调进行补偿，才能使信号在0V时比较器切换。

调零电路吸能在必然温度下，对失调进行补偿。

对由于温漂引发的失调还会使切换点发生稍许偏移。

图示出了有补偿失调的零交比较器和用零交比较器用作整形电路的波形图。

任意电平比较器

一、双端输入式电压比较器

图为双端输入式比较器。

将基准电压UR加在运放的同相端，比较信号U4加在反相端。

实现电压比较。

当UR为零时，就成为零交比较器。

其工作原理与零交比较器相同，只是切换点电压不是0V而是基准电压UR的值。

当U1大于UM时，比较器输出作出0的响应。

二、单端输入式电压比较器

单端输入式比较器是将输入信号和基准信号都加在比较器的反相端，使电路工作在反相输入状态，输入信号将不引进共模电压，因此，特别适用于基准电平超过运放共模电压范围的情形。

图示出了单端输入式比较器的电路。

该电路的门限电位为

由此得出

由式可知，改变R2/R1的比值，或改变基准电压UR，都能方便地调节门限电位。

该电路缺点是输入阻抗低，当R2/R1的值比较大时，失调电压U10及其温漂对电路的影响也变大。

电平滞后比较器

图是反相型滞后比较器。

由图中能够看出，引进正反馈后，使电路产生两个门限电压UTH和-UTH，它们是使比较器翻转的切换点。

UTH和-UTH的差值△UTH是门限宽度，即是滞后电压。

忽略运放的失调，用叠加原理可得双向翻转阀值为

由上式可见，改变UR可调节阀值而不影响滞后电压，就使设计者有了按照估计的最大噪声电压的值而选较比其大些的门限宽度△UTH，使电路具有一个等于门限宽度的内建抗噪声度。

每当比较器切换，小于门限宽度的干扰将不会引发再切换，不会造成错误的动作。

这一优越的特性，使有滞后特性的比较器成为用途最广、适应性最强的一种电路。

图中的二极管VD和稳压管VZ是后级电路电平需要所加的反馈限幅元件，C1是加速电容，超加速转换进程，减小比较器响应时刻的作用。

为了取得最小的失调误差，应使R1=R2||R1。

图示出了这种电平滞后比较器的传输特性图，由图中看出具有下行迟滞特性，简称下行特性，又称下行迟滞比较器。

如将图的U1和UR对换，经上述一样的分析，则迟滞特性将由下行特性变成上行特性，又称上行迟滞特性由下行特性变成上行特性，又称上行迟滞比较器。

窗口电压比较器

窗口电压比较器如图所示。

图中比较器A1的同相端设置在参考上限电平UH=UL+KUZ上，比较器A2的反相端设置在参考下限电平UL上。

同一输入信号加在两个比较器上，与两个参考电平同时比较，能够看出，只有当UL﹤U1﹤UH时，两个比较器输出均是高电平，把两个比较器输出均是高电平，把两个比较器输出“与”起来，输出UO也是逻辑电平1。

这种情形只有在UL﹤U1﹤UH范围内才会发生。

那个电路产生了一个窗口范围，它用逻辑1输出来表明输入信号落在UL和UH所予定的范围当中。

当U1﹤UL或U1﹥UH时，输出逻辑电平是零，说明输入信号落在窗口之外。

所以窗口电压比较器普遍用于分选和自动控制系统中。

电压比较器大体原理及设计应用

　本文主要介绍电压比较器大体概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常常利用的电压比较器。

电压比较器（以下简称比较器）是一种常用的集成电路。

它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。

什么是电压比较器

　　简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪个电压高，如图1所示。

图1（a）是比较器，它有两个输入端：

同相输入端（“+”　　端）　　及反相输入端（“-”端），有一个输出端Vout（输出电平信号）。

另外有电源V+及地（这是个单电源比较器），同相端输入电压VA，反相端输入VB。

VA和VB的转变如图1（b）所示。

在时刻0～t1时，VA>VB；在t1～t2时，VB>VA；在t2～t3时，VA>VB。

在这种情形下，Vout的输出如图1（c）所示：

VA>VB时，Vout输出高电平（饱和输出）；VB>VA时，Vout输出低电平。

按照输出电平的高低即可明白哪个电压大。

　　若是把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压转变仍然如图1（b）所示，则Vout输出如图1（d）所示。

与图1（c）比较，其输出电平倒了一下。

输出电平转变与VA、VB的输入端有关。

　　图2（a）是双电源（正负电源）供电的比较器。

如果它的VA、VB输入电压如图1（b）那样，它的输出特性如图2（b）所示。

VB>VA时，Vout输出饱和负电压。

　　若是输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相较较，如图3（a）所示。

此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。

若是这参考电压是0V（地电平），如图3（b）所示，它一般用作过零检测。

比较器的工作原理

　　比较器是由运算放大器进展而来的，比较器电路能够看做是运算放大器的一种应用电路。

由于比较器电路应用较为普遍，所以开发出了专门的比较器集成电路。

　　图4（a）由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：

Vout=（1+RF/R1）·R3/（R2+R3）VA-（RF/R1）VB。

若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1（VA-VB），RF/R1为放大器的增益。

当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=RF=∞（相当于R3、RF开路）时，Vout=∞。

增益成为无穷大，其电路图就形成图4（b）的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。

实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。

　　从图4中能够看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

　　同相放大器电路如图5所示。

如果图5中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3（b）一样的比较器电路了。

图5中的Vin相当于图3（b）中的VA。

比较器与运放的不同

　　运放能够做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高（使比较器响应速度更快）。

另外，比较器的输出级常常利用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或直接驱动不同电源电压的负载，应用上加倍灵活。

但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。

　　这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时刻、灵敏度等，大部份参数与运放的参数相同。

在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。

如在A/D变换器电路中要求采用精密比较器电路。

　　由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数（电特性参数）与运放的参数项基本一样（如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等）。

比较器典型应用电路

　　这里举两个简单的比较器电路为例来讲明其应用。

1.散热风扇自动控制电路

　　一些大功率器件或模块在工作时会产生较多热量使温度升高，一般采用散热片并用风扇来冷却以保证正常工作。

这里介绍一种极简单的温度控制电路，如图7所示。

负温度系数（NTC）热敏电阻RT粘贴在散热片上检测功率器件的温度（散热片上的温度要比器件的温度略低一些），当5V电压加在RT及R1电阻上时，在A点有一个电压VA。

当散热片上的温度上升时，则热敏电阻RT的阻值下降，使VA上升。

RT的温度特性如图8所示。

它的电阻与温度转变曲线虽然线性度并非好，可是它是单值函数（即温度一按时，其阻值也是必然的单值）。

若是咱们设定在80℃时应接通散热风扇，这80℃即设定的阈值温度TTH，在特性曲线上可找到在80℃时对应的RT的阻值。

R1的阻值是不变的（它安装在电路板上，在环境温度转变不大时能够为R1值不变），则能够计算出在80℃时的VA值。

　　R2与RP组成份压器，当5V电源电压是稳固电压时（电压稳固性较好），调节RP能够改变VB的电压（电位器中心头的电压值）。

VB值为比较器设定的阈值电压，称为VTH。

　　设计时希望散热片上的温度一旦超过80℃时接通散热风扇实现散热，则VTH的值应等于80℃时的K值。

一旦VA>VTH，则比较器输出低电平，继电器K吸合，散热风扇（直流电机）得电工作，使大功率器件降温。

VA、VTH电压转变及比较器输出电压Vout的特性如图9所示。

这里要说清楚的是在VA开始大于VTH时，风扇工作，但散热体有较大的热量，要通过一按时问才能把温度降到80℃以下。

　　从图7可看出，要改变阈值温度TTH十分方便，只要相应地改变VTH值即可。

VTH值增大，TTH增大；反之亦然，调整十分方便。

只要RT肯定，RT的温度特性肯定，则R一、R二、RP可方便求出（设流过RT、R1及R二、RP的电流各为～。

2.窗口比较器

　　窗口比较器常常利用两个比较器组成（双比较器），它有两个阈值电压VTHH（高阈值电压）及VTHL（低阈值电压），与VTHH及VTHL比较的电压VA输入两个比较器。

若VTHL≤VA≤VTHH，Vout输出高电平；若VA＜VTHL，VA＞VTHH，则Vout输出低电平，如图10所示。

图10是一个冰箱报警器电路。

冰箱正常工作温度设为0～5℃，（0℃到5℃是一个“窗口”），在此温度范围时比较器输出高电平（表示温度正常）；若冰箱温度低于0V或高于5℃，则比较器输出低电平，此低电平信号电压输入微控制器（μC）作报警信号。

　　温度传感器采用NTC热敏电阻RT，已知RT在0℃时阻值为Ω；5℃时阻值为Ω，则按工作电压及流过R一、RT的电流约　　uA，可求出R1的值。

R1的值肯定后，可计算出0℃时的VA值为（按图10中R1=665kΩ时），5℃时的VA值为，则VTHL=，VTHH=。

若设R2=665kΩ，则按图11，可求出流过R二、R3、R4电阻的电流I=，按R4×I/=，可求出R4=280kΩ再按=（R3+R4），　　则可求出R3=Ω。

　　本例中两个比较器采用低工作电压、低功耗、互补输出双比较器LT1017，无需外接上拉电阻。

电压比较器原理

电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常常利用于各类电子设备中，那么什么是电压比较器呢？

下面我给大家介绍一下，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相较较，在二者幅度相等的周围，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。

比较器能够组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。

图1所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。

<电压比较器原理原理图>

（a）电路图（b）传输特性当ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。

输出端电位被其箝位在稳压管的稳固电压UZ，即　　uO＝UZ

当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即uo＝－UD

因此，以UR为界，当输入电压ui转变时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。

表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。

图3－1（b）为（a）图比较器的传输特性。

常常利用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。

LM339常常利用来组成各类电压比较器

集成电压比较器简介：

作用：

可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。

应用：

作为模拟电路和数字电路的接口电路。

特点：

比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。

四电压比较器LM339应用资料

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围专门大，为0~（）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到能够等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

 　　 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。

由于LM339利用灵活，应用普遍，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR233九、ANI33九、SF339等......

　LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

　　 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

。

图1

　　LM339类似于增益不可调的运算放大器。

每一个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压不同大于10mV就可以确保输出能从一种状态靠得住地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使历时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压大体上取决于上拉电阻与负载的值。

另外，各比较器的输出端允许连接在一路利用。

      LM339制作电池自动充电器方式 

     试用LM339电压比较器制作的这款充电器,适宜于5号或7号镍镉、镍氢电池充电,电路简单易制,元件无特殊要求,具有自动检测功能,效果颇佳.工作原理如附图所示,LM339共有四个单元,每一个单元独立充一节可充电池.这里仅绘出其中一个单元.

  工作原理电源经过三端稳压块IC1KA78M05R稳压后,+5V为IC2③脚提供工作电压,另外+5V电压通过电阻R1和R二、R3分压后把IC2LM339反相输入端④脚电位设定在1．42V作为参考电压,同相输入端⑤脚电位受控于被充电池端电压.刚放进用尽的电池,由于电池端电压低于反相端④脚设定的参考值1．42V,那么②脚输出低电平,V1正偏导通,+5V电压经V1c、e极,R5限流对电池充电,R5取值10Ω时,充电电流约150mA.当电池充满即端电压达到（或高于）1．42V（镍镉和镍氢电池电压阈值）时,此电压值通过R4取样加到IC2⑤脚,与④脚参考值作比较,使IC2比较器翻转,②脚输出高电平,V1截止,指示灯LED2灭,充电结束,实现自动控制.

 指示灯LED1（红）作电源指示（常亮）,LED2（绿）作充电指示.

 实际上电池充满时,LED2表现为不断闪烁的指示状态,原因是电池端电压上升到（或超过）1．42V时,比较器翻转,停止充电,灯灭;此时电池端电压就可能下降,比较器又要翻转,又充电,灯亮.也就是说电池电压达到1．42V临界点上下时,比较器是在不断反复翻转,使电池进入"停"与"充"的交替状态,这是一种"浮充"状态,所以LED2闪烁发光.

　　LM339制作单限比较器电路

　　图1a给出了一个大体单限比较器。

输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。

当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。

图1b为其传输特性。

　　图3为某仪器中过热检测保护电路。

它用单电源供电，1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于R1于R2。

UR=R2/（R1+R2）*UCC。

同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降。

当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。

当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值能够改变门限电压，既设定温度值的大小。

图3

　　LM339制作迟滞比较器

　　迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。

前面介绍的单限比较器，若是输入信号Uin在门限值周围有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。

在电路中引入正反馈能够克服这一缺点。

　　图1a给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。

图1b为迟滞比较器的传输特性。

图1

　　不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值周围的干扰不超过ΔU之值，输出电压的值就将是稳固的。

但随之而来的是分辨率降低。

因为对迟滞比较器来讲，它不能分辨不同小于ΔU的两个输入电压值。

迟滞比较器加有正反馈能够加速比较器的响应速度，这是它的一个长处。

除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免去由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。

　　若是需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，即可实现上述要求。

图2为其原理图。

图2

　　图3为某电磁炉电路中电网过电压检测电路部份。

电网电压正常时，1/4LM339的U4<，U5=，输出开路，过电压保护电路不工作，作为正反馈的射极跟从器BG1是导通的。

当电网电压大于242V时，U4>，比较器翻转，输出为0V，BG1截止，U5的电压就完全决定于R1与R2的分压值，为，促使U4更大于U5，这就使翻转后的状态极为稳固，避免了过压点周围由于电网电压很小的波动而引发的不稳固的现象。

由于制造了必然的回差（迟滞），在过电压保护后，电网电压要降到242-5=237V时，U4

这正是咱们所期望的。

图3

　　LM339制作双限比较器（窗口比较器）

　　图1电路由两个LM339组成一个窗口比较器。

当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1

当Uin不在门限电位范围之间时，（Uin>UR2或Uin

它可用来判断输入信号电位是不是位于指定门限电位之间。

　　LM339制作用LM339组成振荡器

　　图1为有1/4LM339组成的音频方波振荡器的电路。

改变C1可改变输出方波的频率。

本电路中，当C1=时。

f=53Hz；当C1=时，f=530Hz；当C1=时，f=5300Hz。

　　LM339还能够组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。