因此,也可以将其当作一个1位模/数转换器(ADC)。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器,但由于运算放大器的开环增益非常高,它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且,一般情况下,运算放大器的延迟时间较长,无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟,但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡,许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的,有的只有一个阈值,有的具有两个阈值。

滞回电压

比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变,由于输入端常常叠加有很小的波动电压,这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化,为避免输出振荡,新型比较器通常具有几mV的滞回电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个:一个用于检测上升电压,一个用电压门限(VTRIP)之差等于滞回电压(VHYST),滞回比较器的失调电压是TRIP 和VTRIP-的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输入失调电压,而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对换调电压的影响。

偏置电流

理想的比较器的输入阻抗为无穷大,因此,理论上对输入信号不产生影响,而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大,输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部,从而产生额外的压差。偏置电流(Ibias)定义为两个比较器输入电流的中值,用于衡量输入阻抗的影响。MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。

超电源摆幅

为进一步优化比较器的工作电压范围,Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级,从而使比较器的输入电压得以扩展,这样,其下限可低至最低电平,上限比电源电压还要高出250mV,因而达到超电源摆幅(Beyond-theRail)标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。

漏源电压

由于比较器仅有两个不同的输出状态(零电平或电源电压),且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器,这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压,对应于MOSFFET的漏源电压。

输出延迟时间

包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间,对于高速比较器,如MAX961,其延迟时间的典型值可对达到4.5ns,上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响,其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。

过零电压比较器

典型的幅度比较电路,它的电路图和传输特性曲线如图。

电压比较器

将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上,就得到电压比较器,它的电路图和传输特性曲线如图。

窗口比较器

电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成,电路及传输特性图如图。高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况,相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况,相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值,传输特性曲线呈窗口状,故称为窗口比较器。

滞回比较器

从输出引一个电阻分压支路到同相输入端,电路及传输特性如图。当输入电压vI从零逐渐增大,且VI上限阀值(触发)电平。当输入电压VI>VT时,VT称为下限阀值(触发)电平。

常见的芯片有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27,这些都可以做成电压比较器(不加负反馈)。LM339、LM393是专业的电压比较器,切换速度快,延迟时间小,可用在专门的电压比较场合。

利用四个比较器构成一个电流检测电路电路炉膛,可用于指示输入电流的四种状态,电阻"Shunt"用于将输入电流转换为电压信号,R1和R2用于设置运算放大器的增益,并为比较器提供所需要的基准电压。R4~R7可用来设置不同数字输出状态所对应的检测门限,电路原理如图:

过零比较器

过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr,一个是待测电压Vu。一般Vr从正相输入端接入,Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果,参考电压为零时即为过零比较器。

用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如,开环放大倍数为106,输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。

弛张振荡器

比较器可以用于构造弛张振荡器,其中同时应用到了正反馈和负反馈。正反馈是一个施密特触发器,这样组成了一个多谐振荡器。而RC电路在其中增加了负反馈,导致电路开始自发振荡,使整个电路从锁存器变成了弛张振荡器。

电平转换使用漏极开路的比较器(例如LM393、 TLV3011和MAX9028)可以构造电平转换器,用于改变信号电压。选择适当的上拉电压可以灵活地选择转换的电压值。例如使用MAX972比较器可以把±5V的信号转换成3V信号。

模数转换器

比较器的作用是比较一个输入信号是否高于某一给定值,因此可以将输入的模拟信号转成二进制的数字信号。包括ΔΣ调制在内的几乎所有的数模转换器都含有比较器,用于对输入的模拟信号进行量化。

电压比较器可以看作是放大倍数接近"无穷大"的运算放大器。电压比较器的功能:比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平,表示两个输入电压的大小关系): 当"+"输入端电压高于"-"输入端时,电压比较器输出为高电平; 当"+"输入端电压低于"-"输入端时,电压比较器输出为低电平。

电压比较器的作用:它可用作模拟电路和数字电路的接口,还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单,灵敏度高,但是抗干扰能力差,因此人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有:滞回比较器和窗口比较器。运放,是通过反馈回路和输入回路的确定"运算参数",比如放大倍数,反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈,直接比较两个输入端的量,如果同相输入大于反相,则输出高电平,否则输出低电平。电压比较器输入是线性量,而输出是开关(高低电平)量。一般应用中,有时也可以用线性运算放大器,在不加负反馈的情况下,构成电压比较器来使用。

可用作电压比较器的芯片:所有的运算放大器。常见的有LM324 LM358 uA741 TL081\2\3\4 OP07 OP27,这些都可以做成电压比较器(不加负反馈)。LM339、LM393是专业的电压比较器,切换速度快,延迟时间小,可用在专门的电压比较场合,其实它们也是一种运算放大器。

比较器的两路输入为模拟信号,输出则为二进制信号,当输入电压的差值增大或减小时,其输出保持恒定。从这一角度来看,也可以将比较器当作一个1位模/数转换器(ADC)。

比较器与运算放大器

窗口比较器电路

运算放大器在不加负反馈时,从原理上讲可以用作比较器,但由于运算放大器的开环增益非常高,它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且,在这种情况下,运算放大器的响应时间比比较器慢许多,而且也缺少一些特殊功能,如:滞回、内部基准等。比较器通常不能用作运算放大器,比较器经过调节可以提供极小的时间延迟,但其频响特性受到一定限制,运算放大器正是利用了频响修正这一优势而成为灵活多用的器件。另外,许多比较器还带有内部滞回电路,这避免了输出振荡,但同时也使其不能当作运算放大器使用。

电源电压

比较器与运算放大器工作在同样的电源电压,传统的比较器需要±15V等双电源供电或高达36V的单电源供电,这些产品在工业控制中仍有需求,许多厂商也仍在提供该类产品。但是,从市场发展趋势看,大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内,而且,比较器必须具有低电流、小封装,有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如:MAX919、MAX9119和MAX9019比较器可工作在1.6V或1.8V至5.5V电压范围内,全温范围内的最大吸入电流仅为1.2μA/1.5μA,采用SOT23、SC70封装,类似的MAX965和MAX9100比较器工作电压可低至1.6V,甚至1.0V,因而非常适合电池供电的便携式产品。

窗口比较器电路