因此,也可以將其當作一個1位模/數轉換器(ADC)。運算放大器在不加負反饋時從原理上講可以用作比較器,但由于運算放大器的開環增益非常高,它只能處理輸入差分電壓非常小的信號。而且,一般情況下,運算放大器的延遲時間較長,無法滿足實際需求。比較器經過調節可以提供極小的時間延遲,但其頻響特性會受到一定限制。為避免輸出振蕩,許多比較器還帶有內部滯回電路。比較器的閾值是固定的,有的只有一個閾值,有的具有兩個閾值。

滯回電壓

比較器兩個輸入端之間的電壓在過零時輸出狀態將發生改變,由于輸入端常常疊加有很小的波動電壓,這些波動所產生的差模電壓會導致比較器輸出發生連續變化,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變為兩個:一個用于檢測上升電壓,一個用電壓門限(VTRIP)之差等于滯回電壓(VHYST),滯回比較器的失調電壓是TRIP 和VTRIP-的平均值。不帶滯回的比較器的輸入電壓切換點為輸入失調電壓,而不是理想比較器的零電壓。失調電壓一般隨溫度、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換調電壓的影響。

偏置電流

理想的比較器的輸入阻抗為無窮大,因此,理論上對輸入信號不產生影響,而實際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大,輸入端有電流經過信號源內阻并流入比較器內部,從而產生額外的壓差。偏置電流(Ibias)定義為兩個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

為進一步優化比較器的工作電壓范圍,Maxim公司利用NPN管與PNP管相并聯的結構作為比較器的輸入級,從而使比較器的輸入電壓得以擴展,這樣,其下限可低至最低電平,上限比電源電壓還要高出250mV,因而達到超電源擺幅(Beyond-theRail)標準。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不同的輸出狀態(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為射極跟隨器,這使得其輸入和輸出信號僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態下的發射結電壓,對應于MOSFFET的漏源電壓。

輸出延遲時間

包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間,對于高速比較器,如MAX961,其延遲時間的典型值可對達到4.5ns,上升時間為2.3ns。設計時需注意不同因素對延遲時間的影響,其中包括溫度、容性負載、輸入過驅動等的影響。

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輸入端從接地改接到一個固定電壓值上,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

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

滯回比較器

從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端,電路及傳輸特性如圖。當輸入電壓vI從零逐漸增大,且VI上限閥值(觸發)電平。當輸入電壓VI>VT時,VT稱為下限閥值(觸發)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(不加負反饋)。LM339、LM393是專業的電壓比較器,切換速度快,延遲時間小,可用在專門的電壓比較場合。

利用四個比較器構成一個電流檢測電路電路爐膛,可用于指示輸入電流的四種狀態,電阻"Shunt"用于將輸入電流轉換為電壓信號,R1和R2用于設置運算放大器的增益,并為比較器提供所需要的基準電壓。R4~R7可用來設置不同數字輸出狀態所對應的檢測門限,電路原理如圖:

過零比較器

過零比較器被用于檢測一個輸入值是否是零。原理是利用比較器對兩個輸入電壓進行比較。兩個輸入電壓一個是參考電壓Vr,一個是待測電壓Vu。一般Vr從正相輸入端接入,Vu從反相輸入端接入。根據比較輸入電壓的結果輸出正向或反向飽和電壓。當參考電壓已知時就可以得出待測電壓的測量結果,參考電壓為零時即為過零比較器。

用比較器構造的過零比較器存在一定的測量誤差。當兩個輸入端的電壓差與開環放大倍數之積小于輸出閾值時探測器都會給出零值。例如,開環放大倍數為106,輸出閾值為6v時若兩輸入級電壓差小于6微伏探測器輸出零。這也可以被認為是測量的不確定度。

弛張振蕩器

比較器可以用于構造弛張振蕩器,其中同時應用到了正反饋和負反饋。正反饋是一個施密特觸發器,這樣組成了一個多諧振蕩器。而RC電路在其中增加了負反饋,導致電路開始自發振蕩,使整個電路從鎖存器變成了弛張振蕩器。

電平轉換使用漏極開路的比較器(例如LM393、 TLV3011和MAX9028)可以構造電平轉換器,用于改變信號電壓。選擇適當的上拉電壓可以靈活地選擇轉換的電壓值。例如使用MAX972比較器可以把±5V的信號轉換成3V信號。

模數轉換器

比較器的作用是比較一個輸入信號是否高于某一給定值,因此可以將輸入的模擬信號轉成二進制的數字信號。包括ΔΣ調制在內的幾乎所有的數模轉換器都含有比較器,用于對輸入的模擬信號進行量化。

電壓比較器可以看作是放大倍數接近"無窮大"的運算放大器。電壓比較器的功能:比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平,表示兩個輸入電壓的大小關系): 當"+"輸入端電壓高于"-"輸入端時,電壓比較器輸出為高電平; 當"+"輸入端電壓低于"-"輸入端時,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字電路的接口,還可以用作波形產生和變換電路等。利用簡單電壓比較器可將正弦波變為同頻率的方波或矩形波。簡單的電壓比較器結構簡單,靈敏度高,但是抗干擾能力差,因此人們就要對它進行改進。改進后的電壓比較器有:滯回比較器和窗口比較器。運放,是通過反饋回路和輸入回路的確定"運算參數",比如放大倍數,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(高低電平)量。一般應用中,有時也可以用線性運算放大器,在不加負反饋的情況下,構成電壓比較器來使用。

可用作電壓比較器的芯片:所有的運算放大器。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(不加負反饋)。LM339、LM393是專業的電壓比較器,切換速度快,延遲時間小,可用在專門的電壓比較場合,其實它們也是一種運算放大器。

比較器的兩路輸入為模擬信號,輸出則為二進制信號,當輸入電壓的差值增大或減小時,其輸出保持恒定。從這一角度來看,也可以將比較器當作一個1位模/數轉換器(ADC)。

比較器與運算放大器

窗口比較器電路

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

電源電壓

比較器與運算放大器工作在同樣的電源電壓,傳統的比較器需要±15V等雙電源供電或高達36V的單電源供電,這些產品在工業控制中仍有需求,許多廠商也仍在提供該類產品。但是,從市場發展趨勢看,大多數應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,而且,比較器必須具有低電流、小封裝,有些應用中還要求比較器具有關斷功能。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,全溫范圍內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品。

窗口比較器電路