电压比较器

电压比较器的作用是比较两个电压的大小, 以决定输出是高电平或低电平, 电压比较器是信号处理和波形产生电路中常用的基本单元电路, 电压比较器中的运放通常为开环或正反馈状态, 输出只有高、低两种电平, 因此集成运放工作在非线性区.

电压比较器按传输特性可分为:

输入输出特性:

u−=R1R1+R2ui+R2R1+R2UREF u_- = \frac{R_1}{R_1 + R_2}u_i + \frac{R_2}{R_1 + R_2} U_{REF}u−=R1+R2R1ui+R1+R2R2UREF

当u−=u+=0u_- = u_+ = 0u−=u+=0时, 输出电压发生跳变, 此时对应的输入电压即为门限电压UTHU_{TH}UTH

R1ui+R2UREF=0 R_1 u_i + R_2 U_{REF} = 0R1ui+R2UREF=0

可得门限电压

UTH=−R2R1UREF U_{TH} = -\frac{R_2}{R_1} U_{REF}UTH=−R1R2UREF

当UREF=0U_{REF} = 0UREF=0时的电压传输特性为

当UREF=3VU_{REF} = 3VUREF=3V时的电压传输特性为

简单电压比较器结构简单, 灵敏度高, 但抗干扰能力较差, 当输入电压在门限电压附近上下波动时, 无论这种变换是由于输入信号自身的变化还是干扰噪声, 都将使得输出电压在高、低电平之间反复跳变, 因此提出了另一种抗干扰能力较强, 具有迟滞特性的迟滞电压比较器.

输入信号从集成运放反相端输入, 输出电压通过R1R_1R1和R2R_2R2接到同相端, 形成正反馈;
与参考电压UREFU_{REF}UREF共同决定门限电源UTHU_{TH}UTH;
若不加限幅回路, 比较器输出的高、低电平将分别为运放的最高和最低的输出电压, 有时为了与后面电路的电平匹配, 可以在比较器的输出回路加限幅电路;
限流电阻R3R_3R3与VDzVD_zVDz组成限幅电路;
VDzVD_zVDz为双向稳压管, 当运放输出为UOHU_{OH}UOH时, 稳压管输出+Uz+U_z+Uz, 当运放输出为UOLU_{OL}UOL, 稳压管输出−Uz-U_z−Uz, 使输出电压钳制在±UZ\pm U_Z±UZ.

UTHU_{TH}UTH的值随输出电压变化, 输出为高电平时, uo=+Uzu_o = + U_zuo=+Uz, 同相输入端的电压称为上门限电压UTH+U_{TH+}UTH+, 根据叠加原理, 则有:

UTH+=R1R1+R2UREF+R2R1+R2UZ U_{TH+} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} U_{REF} + \frac{R_2}{R_1 + R_2} U_ZUTH+=R1+R2R1UREF+R1+R2R2UZ

输出为低电平时, uo=−Uzu_o = -U_zuo=−Uz, 同相输入端的电压称为下门限电压UTH−U_{TH-}UTH−

UTH+=R1R1+R2UREF−R2R1+R2UZ U_{TH+} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} U_{REF} - \frac{R_2}{R_1 + R_2} U_ZUTH+=R1+R2R1UREF−R1+R2R2UZ

上下门限电压可以通过调节参考电压UREFU_{REF}UREF来控制, 两门限电压的差值称为迟滞宽度, 用ΔUTH\Delta U_{TH}ΔUTH表示:

ΔUTH=2R2R1+R2Uz \Delta U_{TH} = \frac{2R_2}{R_1 + R_2} U_zΔUTH=R1+R22R2Uz