電壓比較器的電路構(gòu)成，電壓比較器的原理框圖及引腳功能

電壓比較器它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒別與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。常用的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器、窗口比較器、三態(tài)電壓比較器等。

電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運(yùn)算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：當(dāng)”+”輸入端電壓高于”-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平;當(dāng)”+”輸入端電壓低于”-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平;可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。工作在線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是虛短，虛斷;工作在非線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是跳變，虛斷;由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放常工作在非線性區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)上看，運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換更加快速，以提高響應(yīng)速度，一般在電路中接入正反饋。

電壓比較器的原理框圖及其引腳功能

電壓比較器內(nèi)部含輸入級(jí)、中間放大器和輸出級(jí)電路，我們需要掌握的是輸入端和輸出端之間的關(guān)系，由此分析電路原理和找到故障檢測(cè)方法。如前述，運(yùn)算放大器開環(huán)應(yīng)用時(shí)，即為(不太精確的)電壓比較器。但放大器的比較特性并不理想，專業(yè)的設(shè)計(jì)和專業(yè)的性能需要由專業(yè)器件來保障，在應(yīng)用到電壓比較器的場(chǎng)所，大多還是采用專用的電壓比較器。其中，集電極開路輸出級(jí)(又稱OC門輸出級(jí))型專用電壓比較器的應(yīng)用尤為廣泛，在變頻器電路中，通常用到的僅為14腳(四比較器)和8腳(雙比較器)兩種器件，其代表器件型號(hào)為L(zhǎng)M339、LM393，引腳功能見圖所示。

電壓比較器原理框圖與引腳功能

8腳(雙比較器)的引腳排列同8腳運(yùn)放器件是相同的。14腳略有不同，輸出端集中在1、2、13、14腳，供電端為3、12腳。剩余腳為輸入腳，奇數(shù)腳為同相輸入端，偶然腳為反相輸入端。其引腳功能是不難記憶的。

電壓比較器的供電腳特意標(biāo)注為V+/Vcc、V-/GND，說明其電源供給是較為靈活的，可以單電源供電，如+5V或+12V、+15V等，也可以雙電源供電，如±15V、±12V等。

電壓比較器的電路構(gòu)成

1、電壓比較器符號(hào)及基本電路

同運(yùn)放原理的講解一樣，將輸出級(jí)電路搬到經(jīng)典電壓比較器符號(hào)的外部(創(chuàng)意原理符號(hào))，再進(jìn)而確定兩輸入端和輸出端(或輸出級(jí))的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則其工作原理就呼之欲出了。

圖1 常規(guī)電壓比較器符號(hào)、創(chuàng)意原理符號(hào)與應(yīng)用電路

從常規(guī)符號(hào)(圖1中a圖)看，電壓比較器也為三端元件，即兩輸入端，一輸出端。其輸入、輸出的關(guān)系為：

當(dāng)IN+》 IN-時(shí)，OUT端為高電平“1”;

當(dāng)IN- 《 IN+時(shí)，OUT端為低電平“0”。

這也是做為電壓比較器原理及故障判斷的一個(gè)根本原則。

從創(chuàng)間原理符號(hào)(圖1中b圖)看，當(dāng)IN-》 IN+時(shí)，內(nèi)部輸出級(jí)晶體管Q導(dǎo)通，輸出端相當(dāng)于與供電負(fù)端短接，因而輸出低電平“0”，此低電平可能為0V，也可能是-15V(和供電負(fù)端電平相關(guān))。

因電路為開路集電極輸出形式，故輸出端需加上位電阻R，以形成高電平“1”輸出。

從應(yīng)用電路(圖1中c圖)看，當(dāng)當(dāng)IN+》 IN-時(shí)，內(nèi)部Q截止，OUT端變?yōu)楦唠娖?。此時(shí)輸出端高電平的幅度完全取決于上拉Vcc的電平幅度。如Vcc為+5V，電路輸出高電平則為+5V;如Vcc為+15V，電路輸出高電平則為+15V。

此處輸出端上接電源Vcc，既可以是電壓比較器的供電電源，也可以是(共地的)另外的電壓級(jí)別。做為模-數(shù)轉(zhuǎn)換(接口)電路，為適應(yīng)數(shù)字(或MCU器件)的供電電源要求，電壓比較器輸出端多經(jīng)上拉電阻R接+5V電源(DSP器件，上接電阻則接入+3.3V電源正端)。

2、輸出端電路形式

當(dāng)比較器供電為±15V雙電源(比如直接采用運(yùn)放器件的電源供電)，或輸出端上拉電源為+15V，而輸出端又要與后級(jí)(+5V供電數(shù)字電路系統(tǒng))電路相連接時(shí)，那么輸出級(jí)外圍電路就要妥善完成前后級(jí)電路電平銜接的任務(wù)了。

電壓比較器的后級(jí)電路為MCU芯片時(shí)，MCU對(duì)輸入信號(hào)有3項(xiàng)要求：

輸入信號(hào)幅度不大于+5V;

因MCU為單電源供電，不要負(fù)的輸入信號(hào);

只要電壓信號(hào)，不要電流信號(hào)。

圖2 電壓比較器輸出端電路形式

圖2中a電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R接+5V，實(shí)現(xiàn)了前后級(jí)電平的自然對(duì)接，無須采用輸出電平鉗位等相關(guān)措施。

圖2中b電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R也接+15V，電路的高電平輸出幅度超出后級(jí)電路的承受能力，此處加單向鉗位二極管D1以限制最高輸入電平(將輸出高電平鉗位在+5V電源電平附近)，或由分壓電路將輸出電平進(jìn)行衰減。由電壓接法可知，當(dāng)當(dāng)IN+》 IN-時(shí)，輸出端變?yōu)楦唠娖?，由D1的嵌位作用，使輸出端電壓為+5V+D1的導(dǎo)通管壓降(一般約為0.6V左右)≈+5.6V。

圖2中c電路，比較器供電為±15V雙電源，輸出端上拉電阻R接+15V。電壓輸出端的高電平為+15V，而低電平為-15V，二者都不符合后級(jí)電路的輸入電平要求。一般采用添加R2限流電阻和雙向錯(cuò)位二極管D1、D2的方法，進(jìn)行輸出端電壓鉗位。將電壓比較器輸出的±15V高、低電平嵌位成-0.6V~+5.6V左右的電壓信號(hào)(換言之，即將輸出信號(hào)嵌位于0和+5V的供電電源電壓范圍以內(nèi))。

3、輸入端基準(zhǔn)電壓的來源

針對(duì)最基本的電壓比較器——單級(jí)比較器來說，IN+和IN-兩個(gè)輸入端，必定要有其一做為比較基準(zhǔn)端，另一端則做為信號(hào)電壓輸入端?；鶞?zhǔn)電壓通常由以下幾種方式生成(以下圖例將電壓比較器恢復(fù)為常規(guī)符號(hào))：

(1)直接由+5V電源(或±15V)電源經(jīng)電阻分壓取得;

(2)由專用基準(zhǔn)電壓源或三端穩(wěn)壓器取得;

(3)由運(yùn)算放大器生成。

圖3 電壓比較器基準(zhǔn)電壓的來源

如上圖3所示，基準(zhǔn)(比較)電壓可由供電電源經(jīng)電阻分壓取得;亦可由基準(zhǔn)電壓源或三端穩(wěn)壓器取得更為精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓;圖3中的c電路，是由運(yùn)放N1取得-2.5V基準(zhǔn)電壓后，送入電壓比較器N2的反相輸入端做為比較基準(zhǔn)的。

由圖3可看出：

輸入信號(hào)即可進(jìn)入反相輸入端，也可進(jìn)入同相輸入端。

比較器供電可以單電源，可以雙電源。單(正)電源供電時(shí)，不能輸入負(fù)的信號(hào)電壓;

因其供電形式不同，除決定輸入信號(hào)的極性外，其輸出級(jí)外圍電路也有相應(yīng)差異;

輸入的另一端即可做為基準(zhǔn)比較端(電壓比較器必須有基準(zhǔn)比較端)，通常此端電壓不為0V，為一固定不變之電壓。輸入信號(hào)端與基準(zhǔn)端電壓相等的概率近乎為0，因而兩輸入端大部分時(shí)間內(nèi)是有電壓差的，隨輸入信號(hào)電壓的變化，該電壓差也是變化的。