電子電路中比較器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)介紹

電子電路是由各種電子器件組成的，因此學(xué)習(xí)電子電路中，必須要熟悉各種電子器件性能，今天就給大家講解比較器。

一.比較器的定義

比較器是能夠?qū)崿F(xiàn)比較兩個(gè)輸入端的電流或電壓的大小這一功能的電路或者裝置。它有兩個(gè)輸入端Vi+和Vi-，一個(gè)輸出端Vout。輸入端接的是模擬信號(hào)，輸出端輸出是的數(shù)字信號(hào)，輸出要么是高要么就是低，具體的高電平是任意由外接的電壓幅值來(lái)決定的。

選擇其中輸入端作為參考點(diǎn)(REF)來(lái)進(jìn)行比較，例如選擇同相輸入端V2作為參考,當(dāng)反相輸入端V1大于V2時(shí),Vout輸出低電平;當(dāng)V1小于V2時(shí),Vout輸出高電平。由此可知輸出端的狀態(tài)代表著兩個(gè)輸入之間的凈差的符號(hào),參考電壓V2則稱為比較器的閾值電壓UT。由于比較器實(shí)際上是1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC),因而是ADC中的一個(gè)基本元件。

電壓比較器的輸出電壓uo與輸入電壓ui的函數(shù)關(guān)系稱為其電壓傳輸特性，即uo=f (ui)。由于比較器與開(kāi)環(huán)下的集成運(yùn)放特性比較相似，不妨先回顧下運(yùn)放的電壓傳輸特性。

二.比較器的工作原理

比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開(kāi)發(fā)出了專門的比較器集成電路。

由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過(guò)輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個(gè)電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當(dāng)于R3、RF開(kāi)路)時(shí)，Vout=∞。增益成為無(wú)窮大，差分放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無(wú)窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無(wú)窮大。比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。

三.比較器性能指標(biāo)

1.0 滯回電壓：比較器兩個(gè)輸入端之間的電壓在過(guò)零時(shí)輸出狀態(tài)將發(fā)生改變，由于輸入端常常疊加有很小的波動(dòng)電壓，這些波動(dòng)所產(chǎn)生的差模電壓會(huì)導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化，為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)：一個(gè)用于檢測(cè)上升電壓，一個(gè)用于檢測(cè)下降電壓，電壓門限(VTRIP)之差等于滯回電壓(VHYST)，滯回比較器的失調(diào)電壓是TRIP 和VTRIP-的平均值。不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點(diǎn)為輸入失調(diào)電壓，而不是理想比較器的零電壓。失調(diào)電壓一般隨溫度、電源電壓的變化而變化。通常用電源抑制比表示電源電壓變化對(duì)失調(diào)電壓的影響。

2.0 偏置電流：理想的比較器的輸入阻抗為無(wú)窮大，因此，理論上對(duì)輸入信號(hào)不產(chǎn)生影響，而實(shí)際比較器的輸入阻抗不可能做到無(wú)窮大，輸入端有電流經(jīng)過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻并流入比較器內(nèi)部，從而產(chǎn)生額外的壓差。偏置電流(Ibias)定義為兩個(gè)比較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。MAX917系列比較器的最大偏置電流僅為2nA。

3.0 超電源擺幅：為進(jìn)一步優(yōu)化比較器的工作電壓范圍，Maxim公司利用NPN管與PNP管相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)作為比較器的輸入級(jí)，從而使比較器的輸入電壓得以擴(kuò)展，這樣，其下限可低至最低電平，上限比電源電壓還要高出250mV，因而達(dá)到超電源擺幅(Beyond-theRail)標(biāo)準(zhǔn)。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。4.0漏源電壓：由于比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)(零電平或電源電壓)，且具有滿電源擺幅特性的比較器的輸出級(jí)為射極跟隨器，這使得其輸入和輸出信號(hào)僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的發(fā)射結(jié)電壓，對(duì)應(yīng)于MOSFFET的漏源電壓。

5.0 輸出延遲時(shí)間：包括信號(hào)通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，對(duì)于高速比較器，如MAX961，其延遲時(shí)間的典型值可對(duì)達(dá)到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns。設(shè)計(jì)時(shí)需注意不同因素對(duì)延遲時(shí)間的影響，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)等的影響。

四.比較器的應(yīng)用電路

該電路采用光敏電阻控制分壓電路。當(dāng)該電路吸收強(qiáng)光時(shí)，輸出設(shè)備將被關(guān)閉。當(dāng)電路吸收黑暗時(shí)，輸出設(shè)備將被關(guān)閉。該電路基于電壓比較器原理工作。如果 IC 電壓的反相端高于同相端，則輸出設(shè)備激活。同樣，如果 IC 的反相端電壓低于同相端，則輸出設(shè)備停用。此處，該電路使用 LED 作為輸出設(shè)備。

該IC有兩個(gè)電源輸入，即Vcc和GND，其中Vcc是正電壓電源，最高可達(dá)36V，GND是電壓源的地線。電源通道可以用這兩個(gè)端子完成，并為該操作提供電源。

3、工作原理

IC 通電后，比較電壓值。如果反相端電壓高于同相端電壓，則運(yùn)算放大器輸出將接地，電流將從正電源流向 GND。同樣，如果反相端的電壓低于同相端，則運(yùn)算放大器輸出將保持在正電源電壓 (Vcc)，并且沒(méi)有電流流動(dòng)，因?yàn)樨?fù)載兩端沒(méi)有電勢(shì)差。

因此，當(dāng)反相端的電壓很高時(shí)，負(fù)載將被打開(kāi)。當(dāng)反相端電壓低時(shí)，負(fù)載將被關(guān)閉。這里L(fēng)ED用作負(fù)載。使用LM393的小夜燈電路。該電路以LED作為負(fù)載，光敏電阻用于檢測(cè)光線。光敏電阻的阻值主要取決于照射到其表面的光線。當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到黑暗時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)變高，而當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到亮光時(shí)，其阻值會(huì)降低。

因此，如果我們使用光敏電阻和固定電阻連接分壓器電路，如果它檢測(cè)到黑暗，則光敏電阻將利用更多電壓，因?yàn)樗诤诎抵械碾娮栎^小。類似地，如果它檢測(cè)到明亮的光線，則光敏電阻將使用較少的電壓。

如果運(yùn)放同相端的輸入是一個(gè)比較穩(wěn)定的參考電壓，光敏電阻的電壓在黑暗中高于參考電壓，在光照下低于參考電壓，這里設(shè)計(jì)了一個(gè)比較器當(dāng)有夜晚然后有光時(shí)，電路的作用不同。因此，LED 會(huì)在黑暗中點(diǎn)亮，在強(qiáng)光下熄滅。