比較器在模擬電路、數(shù)字電路以及混合信號電路中的應用

比較器是一種電子設備或電路，用于比較兩個電壓或電流信號的大小，并根據(jù)比較結果產(chǎn)生一個輸出信號。比較器在電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色，廣泛應用于模擬電路、數(shù)字電路以及混合信號電路中。

定義

比較器是一種電子電路，它可以接收兩個輸入信號，并根據(jù)這兩個信號的大小關系產(chǎn)生一個高電平或低電平的輸出。當正輸入(非反相輸入)大于負輸入(反相輸入)時，輸出為高電平;當正輸入小于負輸入時，輸出為低電平。

比較器的工作原理基于運算放大器。實際上，一個基本的比較器可以看作是一個去掉反饋回路的運算放大器。當運算放大器的正輸入端電壓高于負輸入端時，輸出端會飽和到正電源電壓;反之，當正輸入端電壓低于負輸入端時，輸出端會飽和到負電源電壓。

開環(huán)比較器

開環(huán)比較器是最簡單的形式，它不包含任何反饋機制。開環(huán)比較器的輸出在正電源電壓和負電源電壓之間快速切換，沒有中間狀態(tài)。

滯后比較器

滯后比較器(或稱為施密特觸發(fā)器)在輸出切換時引入了滯后效應。這意味著正輸入必須高于負輸入一定值才能使輸出從低電平切換到高電平，而負輸入必須低于正輸入一定值才能使輸出從高電平切換到低電平。滯后效應可以減少輸出的抖動和噪聲。

窗口比較器

窗口比較器可以提供兩個閾值電壓，當輸入電壓在這兩個閾值之間時，輸出為低電平;當輸入電壓超出這個范圍時，輸出為高電平。窗口比較器通常由兩個滯后比較器反向連接構成。

快速響應

比較器能夠提供快速的響應時間，因為它們通常具有很高的增益和帶寬。

無反饋

與運算放大器不同，比較器通常不使用反饋回路，這使得它們的輸出可以快速切換。

輸出為數(shù)字信號

比較器的輸出為數(shù)字信號(高電平或低電平)，這使得它們可以很容易地與數(shù)字電路接口。

簡單結構

比較器的結構相對簡單，通常只需要少量的外部元件。

滯后效應

滯后比較器具有滯后效應，可以減少噪聲和抖動，提高電路的穩(wěn)定性。

可調節(jié)閾值

比較器的閾值電壓可以通過外部電阻或電壓源進行調節(jié)，以適應不同的應用需求。

模擬-數(shù)字轉換

比較器在模擬-數(shù)字轉換器(ADC)中起著關鍵作用，尤其是在逐次逼近寄存器(SAR)ADC中。

電壓監(jiān)測

比較器常用于電壓監(jiān)測和保護電路，例如過壓保護和欠壓保護。

信號整形

比較器可以用來整形信號，消除噪聲和抖動，提供清晰的數(shù)字輸出。

滯后比較器可以用于構建振蕩器，如方波振蕩器和三角波振蕩器。

數(shù)據(jù)恢復

在通信系統(tǒng)中，比較器用于從接收到的模擬信號中恢復出數(shù)字數(shù)據(jù)。

電源電壓

比較器的電源電壓應高于預期的最大輸入電壓，以確保輸出可以飽和到高電平。

輸入偏置電流

輸入偏置電流可能會影響比較器的性能，特別是在低輸入電壓下。

增益帶寬積

比較器的增益帶寬積(GBW)是其性能的重要參數(shù)，高GBW意味著更快的響應時間。

輸出驅動能力

比較器的輸出驅動能力應足以驅動后續(xù)的數(shù)字電路或負載。

滯后電壓

滯后比較器的滯后電壓應根據(jù)應用需求進行選擇，以確保足夠的穩(wěn)定性。

比較器是一種功能強大的電子電路，它在電子系統(tǒng)中有著廣泛的應用。通過理解比較器的工作原理、特點和設計考慮，工程師可以有效地利用比較器來實現(xiàn)各種功能。無論是在模擬信號處理、數(shù)字信號處理還是混合信號處理中，比較器都是一種不可或缺的工具。

1、使用LM339的LDR比較器電路圖

使用德州儀器 (TI) 的IC LM339設計的簡單LDR比較器電路。這是一款四路比較器IC，該電路中僅使用了該IC 的4 位內部比較器之一。該電路采用5 伏穩(wěn)壓直流電源供電。

這里該電路的光敏元件是光檢測電阻或LDR。這只是一個光敏元件，它會根據(jù)照射在其上的光線而改變其電阻。照射在其上的光線越多，其抵抗力越低。

在上面的電路中，我們將引腳 4 連接到 LDR，電阻 R1 作為分壓電路。這是反相端子，當光照射到 LDR 傳感器時，通過該引腳的電阻率將降低，并且引腳 4 上的電壓將升高，從而導致引腳 3 處輸出低電平。

我們在引腳 5 處添加了可變電阻。由于可變電阻設置為低阻值，因此引腳 5 上的電壓變高。反相端子引腳 4 需要低輸入信號以保持低于引腳 4 上的電壓以獲得更高的輸出，這意味著它被設置為低光強度。 LDR 上照射的光越多，其電阻就越低，輸出端的電壓就越高。每當反相輸入端的電壓超過或低于非反相輸入端設置的閾值電壓時，比較器輸出就會改變狀態(tài)。 LDR 在黑暗中時 LED 亮起。我們可以使用繼電器或蜂鳴器代替LED來將該電路投入具體應用。

2、基于LM358運算放大器的比較器電路圖

這是一個由常見 LM741 運算放大器構建的比較器。在此測試電路中，我們使用 12 伏雙極電源。在 NEG 輸入中，引腳 2 固定為 6 伏，齊納二極管連接到電源的 + 側。我們將其稱為 Vref。

在引腳 3 的 POS 輸入上，我們將電位計連接回 + 和 GND。這是文。如果 Vin小于6 伏，則 LM741 引腳 7 上的輸出將約為負 10 伏。這里我們使用1N4001二極管來保護LED免受過高的反向電壓的影響。

如果我們將 10K 電位器調整到 Vin 大于 Vref ，則引腳 7 上的輸出將變?yōu)榇蠹s+10V 正向偏置 1N4001 并打開 LED。

使用 LM741 的缺點是使用雙極電源。圖中的比較器電路使用LM358運算放大器代替LM741。 LM358 專為單電源供電而設計。它的作用，只是添加了 Q1 作為集電極開路輸出驅動器。

當 Vin 小于 Vref 時，引腳上的輸出變?yōu)榧s 10 伏，從而打開晶體管 Q1，從而打開 LED。通過用 10K 電位器設置跳變點，可以制作欠壓指示器。

3、使用LM101的比較器電路圖

LM101 非常適合比較器應用的兩個原因是它具有較大的差分輸入電壓范圍，并且輸出易于鉗位以使其與各種驅動器和邏輯電路兼容。 LM101 沒有 LM7104 的速度(10us 與 40ns，在同等條件下)，但速度在許多線性應用中不是問題，并且 LM101 的較低輸入電流和較高電壓能力是一個很大的優(yōu)勢。下面的電路圖顯示了使用 LM101 的兩個比較器電路。

上圖是一種鉗位方案，使輸出信號直接與DTL或TTL集成電路兼容。 0V 或 4V 的輸出分別由 LM103 擊穿二極管鉗位在低或高狀態(tài)。具有急劇擊穿和低等效電容是選擇這種特殊二極管的原因。放大器開環(huán)工作，因此作為比較器工作時通常不需要頻率修正。盡管如此，為了防止比較器處于活動區(qū)域時出現(xiàn)低電平振蕩，放大器引腳 5 和 6 之間的雜散電容應最小化。如果這成為問題，則正常補償端子上的 3 pF 電容器將消除它。