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因此,也可以將其當(dāng)作一個(gè)1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋時(shí)從原理上講可以用作比較器,但由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益非常高,它只能處理輸入差分電壓非常小的信號(hào)。而且,一般情況下,運(yùn)算放大器的延遲時(shí)間較長(zhǎng),無法滿足實(shí)際需求。比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時(shí)間延遲,但其頻響特性會(huì)受到一定限制。為避免輸出振蕩,許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路。比較器的閾值是固定的,有的只有一個(gè)閾值,有的具有兩個(gè)閾值。

滯回電壓

比較器兩個(gè)輸入端之間的電壓在過零時(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)換調(diào)電壓的影響。

偏置電流

理想的比較器的輸入阻抗為無窮大,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窮大,輸入端有電流經(jīng)過信號(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。

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。

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。

輸出延遲時(shí)間

包括信號(hào)通過元器件產(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、輸入過驅(qū)動(dòng)等的影響。

過零電壓比較器

典型的幅度比較電路,它的電路圖和傳輸特性曲線如圖。

電壓比較器

將過零比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)固定電壓值上,就得到電壓比較器,它的電路圖和傳輸特性曲線如圖。

窗口比較器

電路由兩個(gè)幅度比較器和一些二極管與電阻構(gòu)成,電路及傳輸特性圖如圖。高電平信號(hào)的電位水平高于某規(guī)定值VH的情況,相當(dāng)比較電路正飽和輸出。低電平信號(hào)的電位水平低于某規(guī)定值VL的情況,相當(dāng)比較電路負(fù)飽和輸出。該比較器有兩個(gè)閾值,傳輸特性曲線呈窗口狀,故稱為窗口比較器。

滯回比較器

從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端,電路及傳輸特性如圖。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大,且VI上限閥值(觸發(fā))電平。當(dāng)輸入電壓VI>VT時(shí),VT稱為下限閥值(觸發(fā))電平。

常見的芯片有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27,這些都可以做成電壓比較器(不加負(fù)反饋)。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器,切換速度快,延遲時(shí)間小,可用在專門的電壓比較場(chǎng)合。

利用四個(gè)比較器構(gòu)成一個(gè)電流檢測(cè)電路電路爐膛,可用于指示輸入電流的四種狀態(tài),電阻"Shunt"用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),R1和R2用于設(shè)置運(yùn)算放大器的增益,并為比較器提供所需要的基準(zhǔn)電壓。R4~R7可用來設(shè)置不同數(shù)字輸出狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限,電路原理如圖:

過零比較器

過零比較器被用于檢測(cè)一個(gè)輸入值是否是零。原理是利用比較器對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較。兩個(gè)輸入電壓一個(gè)是參考電壓Vr,一個(gè)是待測(cè)電壓Vu。一般Vr從正相輸入端接入,Vu從反相輸入端接入。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。當(dāng)參考電壓已知時(shí)就可以得出待測(cè)電壓的測(cè)量結(jié)果,參考電壓為零時(shí)即為過零比較器。

用比較器構(gòu)造的過零比較器存在一定的測(cè)量誤差。當(dāng)兩個(gè)輸入端的電壓差與開環(huán)放大倍數(shù)之積小于輸出閾值時(shí)探測(cè)器都會(huì)給出零值。例如,開環(huán)放大倍數(shù)為106,輸出閾值為6v時(shí)若兩輸入級(jí)電壓差小于6微伏探測(cè)器輸出零。這也可以被認(rèn)為是測(cè)量的不確定度。

弛張振蕩器

比較器可以用于構(gòu)造弛張振蕩器,其中同時(shí)應(yīng)用到了正反饋和負(fù)反饋。正反饋是一個(gè)施密特觸發(fā)器,這樣組成了一個(gè)多諧振蕩器。而RC電路在其中增加了負(fù)反饋,導(dǎo)致電路開始自發(fā)振蕩,使整個(gè)電路從鎖存器變成了弛張振蕩器。

電平轉(zhuǎn)換使用漏極開路的比較器(例如LM393、 TLV3011和MAX9028)可以構(gòu)造電平轉(zhuǎn)換器,用于改變信號(hào)電壓。選擇適當(dāng)?shù)纳侠�電壓可以靈活地選擇轉(zhuǎn)換的電壓值。例如使用MAX972比較器可以把±5V的信號(hào)轉(zhuǎn)換成3V信號(hào)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

比較器的作用是比較一個(gè)輸入信號(hào)是否高于某一給定值,因此可以將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。包括ΔΣ調(diào)制在內(nèi)的幾乎所有的數(shù)模轉(zhuǎn)換器都含有比較器,用于對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行量化。

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。

電壓比較器的作用: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�頻率的方波或矩形波。簡(jiǎn)單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度高,但是抗干擾能力差,因此人們就要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電壓比較器有:滯回比較器和窗口比較器。運(yùn)放,是通過反饋回路和輸入回路的確定"運(yùn)算參數(shù)",比如放大倍數(shù),反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋,直接比較兩個(gè)輸入端的量,如果同相輸入大于反相,則輸出高電平,否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量,而輸出是開關(guān)(高低電平)量。一般應(yīng)用中,有時(shí)也可以用線性運(yùn)算放大器,在不加負(fù)反饋的情況下,構(gòu)成電壓比較器來使用。

可用作電壓比較器的芯片:所有的運(yùn)算放大器。常見的有LM324 LM358 uA741 TL081\2\3\4 OP07 OP27,這些都可以做成電壓比較器(不加負(fù)反饋)。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器,切換速度快,延遲時(shí)間小,可用在專門的電壓比較場(chǎng)合,其實(shí)它們也是一種運(yùn)算放大器。

比較器的兩路輸入為模擬信號(hào),輸出則為二進(jìn)制信號(hào),當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí),其輸出保持恒定。從這一角度來看,也可以將比較器當(dāng)作一個(gè)1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

比較器與運(yùn)算放大器

窗口比較器電路

運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋時(shí),從原理上講可以用作比較器,但由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益非常高,它只能處理輸入差分電壓非常小的信號(hào)。而且,在這種情況下,運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間比比較器慢許多,而且也缺少一些特殊功能,如:滯回、內(nèi)部基準(zhǔn)等。比較器通常不能用作運(yùn)算放大器,比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時(shí)間延遲,但其頻響特性受到一定限制,運(yùn)算放大器正是利用了頻響修正這一優(yōu)勢(shì)而成為靈活多用的器件。另外,許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路,這避免了輸出振蕩,但同時(shí)也使其不能當(dāng)作運(yùn)算放大器使用。

電源電壓

比較器與運(yùn)算放大器工作在同樣的電源電壓,傳統(tǒng)的比較器需要±15V等雙電源供電或高達(dá)36V的單電源供電,這些產(chǎn)品在工業(yè)控制中仍有需求,許多廠商也仍在提供該類產(chǎn)品。但是,從市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)看,大多數(shù)應(yīng)用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內(nèi),而且,比較器必須具有低電流、小封裝,有些應(yīng)用中還要求比較器具有關(guān)斷功能。例如:MAX919、MAX9119和MAX9019比較器可工作在1.6V或1.8V至5.5V電壓范圍內(nèi),全溫范圍內(nèi)的最大吸入電流僅為1.2μA/1.5μA,采用SOT23、SC70封裝,類似的MAX965和MAX9100比較器工作電壓可低至1.6V,甚至1.0V,因而非常適合電池供電的便攜式產(chǎn)品。

窗口比較器電路