1、一、過(guò)零比較器過(guò)零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V。電路如圖(a)所示，集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓uI0V時(shí)，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖(b)所示。為了限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓，保護(hù)其輸入級(jí)，可加二極管限幅電路，如右圖所示。 兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值不同在實(shí)用電路中為了滿足負(fù)載的需要，常在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的UOH和UOL，如圖（725）(a)所示。圖中R為限流電阻，兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓均應(yīng)小于集成運(yùn)放的最大輸出電壓UOM。設(shè)穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓為UZ1，穩(wěn)壓管DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ2，UZ1和UZ2的正向?qū)?/p>

2、壓均為UD。當(dāng)uI0時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓u/O=-UOM，DZ2使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DZ1工作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓u O=UOL=-（UZ2+UD）兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值相同若要求，UZ1=UZ2則可以采用兩只特性相同而又制作在一起的穩(wěn)壓管，其符號(hào)如圖(b)所示，穩(wěn)定電壓標(biāo)為UZ。當(dāng)uI0時(shí)，u O=UOL=-UZ。穩(wěn)壓管接在反饋通路中限幅電路的穩(wěn)壓管還可跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反相輸入端之間，如右圖所示。假設(shè)穩(wěn)壓管截止，則集成運(yùn)放必然工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，輸出電壓不是+UOM，就是-UOM。這樣，必將導(dǎo)致穩(wěn)壓管擊穿而工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DZ構(gòu)成負(fù)反饋通路，使反相輸入端為“虛地”，限流電阻上的電流

3、iR等于穩(wěn)壓管的電流iZ，輸出電壓u O=UZ。 電路優(yōu)點(diǎn)：由于集成運(yùn)放的凈輸入電壓和凈輸入電流均近似為零，從而保護(hù)了輸入級(jí)；由于集成運(yùn)放并沒(méi)有工作到非線性區(qū)，因而在輸入電壓過(guò)零時(shí)，其內(nèi)部的晶體管不需要從截止區(qū)逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，或從飽和區(qū)逐漸進(jìn)入截止區(qū)，所以提高了輸出電壓的變化速度。二、一般單限比較器如圖(a)所示為一般單限比較器，UREF為外加參考電壓。根據(jù)疊加原理，集成運(yùn)放反相輸入端的電位 （推導(dǎo)過(guò)程）令uN=uP=0，則求出閾值電壓 當(dāng)uIUT時(shí)，uNUT時(shí)，uNuP，所以u(píng)/o=-UOM，uo=UOL=-UZ。若UREF0，則圖(a)所示電路的傳輸特性如圖(b)所示。綜上所述，分析電壓傳

4、輸特性三個(gè)要素的方法是：通過(guò)研究集成運(yùn)放輸出端所接的限幅電路來(lái)確定電壓比較器的輸出低電平UOL和輸出高電平UOH；寫(xiě)出集成運(yùn)放同相輸入端、反相輸入端電位uN和uP的表達(dá)式，令uN=uP，解得輸入電壓就是閾值電壓；uo在uI過(guò)UT時(shí)的躍變方向決定于uI作用于集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端。當(dāng)uI從反相輸入端輸入時(shí)，uIUT，uo=UOL。當(dāng)uI從同相輸入端輸入時(shí)，uIUT，uo=UOH。絕大多數(shù)比較器中都設(shè)計(jì)帶有滯回電路, 通常滯回電壓為5mV到10mV。內(nèi)部滯回電路可以避免由于輸入端的寄生反饋所造成的比較器輸出振蕩。但是內(nèi)部滯回電路雖然可以使比較器免于自激振蕩, 卻很容易被外部振幅較大的噪聲淹沒(méi)。這種情

5、況下需要增加外部滯回, 以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 首先, 看一下比較器的傳輸特性。圖1所示是內(nèi)部沒(méi)有滯回電路的理想比較器的傳輸特性, 圖2所示為實(shí)際比較器的傳輸特性。從圖2可以看出, 實(shí)際電壓比較器的輸出是在輸入電壓(VIN)增大到2mV時(shí)才開(kāi)始改變。 圖1. 理想比較器的傳輸特性 圖2. 實(shí)際比較器的傳輸特性 運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)圖3. 無(wú)滯回電路時(shí)比較器輸出的模糊狀態(tài)和頻繁跳變 舉個(gè)例子, 考慮圖4所示簡(jiǎn)單電路, 其傳輸特性如圖5所示。比較器的反相輸入電壓從0開(kāi)始線性變化, 由分壓電阻R1、R2構(gòu)成正反饋。當(dāng)輸入電壓從1點(diǎn)開(kāi)始增加(圖6), 在輸入電壓超過(guò)同相閾值VTH+ = VCCR2/(R

6、1 + R2)之前, 輸出將一直保持為VCC。在閾值點(diǎn), 輸出電壓迅速?gòu)腣CC跳變?yōu)閂SS, 因?yàn)? 此時(shí)反相端輸入電壓大于同相端的輸入電壓。輸出保持為低電平, 直到輸入經(jīng)過(guò)新的閾值點(diǎn)5 ,VTH- = VSSR2/(R1 + R2)。在5點(diǎn), 輸出電壓迅速跳變回VCC, 因?yàn)檫@時(shí)同相輸入電壓高于反相輸入電壓。圖4. 具有滯回的簡(jiǎn)單電路 圖5. 圖4電路的傳輸特性 圖6. 圖4電路的/輸出電壓波形 圖4所示電路中的輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明, 輸入電壓至少變化2VTH時(shí), 輸出電壓才會(huì)變化。因此, 它不同于圖3的響應(yīng)情況(放大器無(wú)滯回), 即對(duì)任何小于2VTH的噪聲或干擾都

7、不會(huì)導(dǎo)致輸出的迅速變化。在實(shí)際應(yīng)用中, 正、負(fù)電壓的閾值可以通過(guò)選擇適合的反饋設(shè)置。 其它設(shè)置可以通過(guò)增加不同閾值電壓的滯回電路獲得。圖7電路使用了兩個(gè)MOSFET和一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)正負(fù)極性的閾值。與圖4所示比較器不同, 電阻反饋網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有加載到負(fù)載環(huán)路, 圖8給出了輸入信號(hào)變化時(shí)的輸出響應(yīng)。 圖7. 通過(guò)外部MOSFET和電阻構(gòu)成滯回電路 圖8. 圖7電路的輸入/輸出電壓波形 比較器內(nèi)部的輸出配置不同, 所要求的外部滯回電路也不同。例如, 具有內(nèi)部上拉電阻的比較器,可以在輸出端和同相輸入端直接加入正反饋電阻。輸入分壓網(wǎng)絡(luò)作用在比較器的同相輸入端, 反相輸入電壓為一固定的參考電平(如圖9)。 圖

8、9. 在帶有上拉電阻的比較器中加滯回電路 如上所述, 具有內(nèi)部滯回的比較器提供兩個(gè)門限：一個(gè)用于輸入上升電壓(VTHR),一個(gè)用于檢測(cè)輸入下降電壓(VTHF), 對(duì)應(yīng)于圖8的VTH1和VTH2。兩個(gè)門限的差值為滯回帶(VHB)。當(dāng)比較器的輸入電壓相等時(shí), 滯回電路會(huì)使一個(gè)輸入迅速跨越另一輸入, 從而使比較器避開(kāi)產(chǎn)生振蕩的區(qū)域。圖10所示為比較器反相輸入端電壓固定, 同相輸入端電壓變化時(shí)的工作過(guò)程,交換兩個(gè)輸入可以得到相似波形, 但是輸出電壓極性相反。圖10. 圖9電路的輸入/輸出電壓波形 根據(jù)輸出電壓的兩個(gè)極限值(兩個(gè)電源擺幅), 可以很容易地計(jì)算反饋分壓的電阻值。 內(nèi)部有4mV滯回和輸出端配

9、有上拉電阻的比較器 - 如Maxim的MAX9015、MAX9017和MAX9019等。這些比較器設(shè)計(jì)用于電壓擺幅為VCC和0V的單電源系統(tǒng)?？梢园凑找韵虏襟E, 根據(jù)給定的電源電壓、電壓滯回(VHB)和基準(zhǔn)電壓(VREF), 選擇并計(jì)算需要的元件： 第1步選擇R3, 在觸發(fā)點(diǎn)流經(jīng)R3的電流為(VREF - VOUT)/R3?？紤]到輸出的兩種可能狀態(tài), R3由如下兩式求得：R3 = VREF/IR3和R3 = (VCC - VREF)/IR3.取計(jì)算結(jié)果中的較小阻值, 例如, VCC = 5V, IR3 = 0.2A, 使用MAX9117比較器(VREF = 1.24V), 則計(jì)算結(jié)果為6.2M

10、和19M, 選則R3為6.2M。 第2步選擇滯回電壓(VHB)。在本例中, 選擇滯回電壓為50mV。第3步R1可按下式計(jì)算。對(duì)于這個(gè)例子, R1的值為：第4步VIN上升門限(VTHR)的選擇, 例如：在該門限點(diǎn), 當(dāng)輸入電壓VIN超過(guò)閾值時(shí), 比較器輸出由低電平變到高電平。本例中, 選擇VTHR = 3V。 第5步計(jì)算R2, R2可按下式計(jì)算：本例中, R2的值為44.2k。 第6步按如下步驟驗(yàn)證電壓和滯回電壓：VIN上升門限 = 2.992V, 等于VREF乘以R1, 除以R1、R2和R3并聯(lián)后的阻值。VIN下降門限 = 2.942V。因此, 滯回電壓 = VTHR - VTHF = 50m

11、V.最后, 開(kāi)漏結(jié)構(gòu)的比較器內(nèi)部滯回電壓為4mV (MAX9016、MAX9018、MAX9020), 需要外接上拉電阻, 如圖11所示。外加滯回可以通過(guò)正反饋產(chǎn)生, 但是計(jì)算公式與上拉輸出的情況稍有不同。滯回電壓 = VTHR - VTHF = 50mV。按如下步驟計(jì)算電阻值： 第1步選擇R3, 在IN_+端的漏電流小于2nA, 所以通過(guò)R3的電流至少為0.2A, 以減小漏電流引起的誤差。R3可由R3 = VREF/IR3或R3 = (VCC - VREF)/IR3 - R4兩式求得, 取其較小值。例如, 使用MAX9118 (VREF=1.24V), VCC = 5V, IR3 = 0.2

12、A, R4 = 1M, 計(jì)算結(jié)果為6.2M和18M, 則R3選6.2M。 第2步選擇需要的滯回電壓 (VHB)。 第3步選擇R1, R1可按下式計(jì)算：在此例中, R1為：第4步選擇VIN上升門限(VTHR), 如下式：在該門限點(diǎn), 當(dāng)輸入電壓VIN超過(guò)閾值時(shí), 比較器輸出由低電平變到高電平。本例中, 選擇VTHR = 3V。 第5步計(jì)算R2, 如下式：本例中, R2的值為49.9k。 第6步按如下步驟驗(yàn)證觸發(fā)電壓和滯回電壓：圖11. 在輸出為開(kāi)漏結(jié)構(gòu)的比較器中加滯回電路 窗口比較器”又叫“雙限比較器”，是指在輸入信號(hào)的上升沿和下降沿翻轉(zhuǎn)電壓不同的比較器，兩個(gè)電壓之間的值為窗口寬度。窗口比較器常

13、用兩個(gè)比較器組成（雙比較器），它有兩個(gè)閾值電壓VTHH（高閾值電壓）及VTHL（低閾值電壓），與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個(gè)比較器。若VTHLVAVTHH，Vout輸出高電平；若VAVTHL，VAVTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個(gè)冰箱報(bào)警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為05，（0到5是一個(gè)“窗口”），在此溫度范圍時(shí)比較器輸出高電平（表示溫度正常）；若冰箱溫度低于0V或高于5，則比較器輸出低電平，此低電平信號(hào)電壓輸入微控制器（C）作報(bào)警信號(hào)。 溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0時(shí)阻值為333.1k；5時(shí)阻值為258.3k，則按1.5V工作電壓及流過(guò)R1

14、、RT的電流約1.5uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計(jì)算出0時(shí)的VA值為0.5V（按圖10中R1=665k時(shí)），5時(shí)的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設(shè)R2=665k，則按圖11，可求出流過(guò)R2、R3、R4電阻的電流I=（1.5V-0.5V）/665k=0.0015mA，按R4I/=0.42V，可求出R4=280k再按0.5V=（R3+R4）0.0015mA，則可求出R3=53.3k。本例中兩個(gè)比較器采用低工作電壓、低功耗、互補(bǔ)輸出雙比較器LT1017，無(wú)需外接上拉電阻。如果要判別輸入信號(hào)電壓ui是否進(jìn)入某一定 范圍，則可以用圖1（a）所示的窗口比較器來(lái)進(jìn)行判別。該窗口比較器是由一個(gè)反向輸入差動(dòng)任意電平比較器和另一個(gè)同相輸入差動(dòng)任意電平比較器適當(dāng)?shù)亟M合而成。 假定UREF1 UREF2，則當(dāng)ui ui UOM，D1、D2都截止，輸出電壓uo = 0；當(dāng)ui-U REF1時(shí)，A1 和A2的輸出都是 U UOM，A2輸出為