什么是比較器?它和放大器有什么不同?

選擇一個(gè)合適的比較器必須精通比較器的應(yīng)用場(chǎng)合、原理及類型。這篇文章就講解了關(guān)于比較器的原理和應(yīng)用。

什么是比較器?它和放大器有什么不同?

我們從工程學(xué)教程里了解到，運(yùn)算放大器需要三個(gè)內(nèi)部級(jí)才能發(fā)揮出最佳性能，比如實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗、低輸出阻抗和高增益等。三個(gè)內(nèi)部級(jí)分別是差分輸入級(jí)、增益級(jí)(有或沒有內(nèi)部頻率補(bǔ)償)和輸出級(jí)。這種基本的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沿用了好幾十年。早期，運(yùn)算放大器曾作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件，主要以電壓和電壓信號(hào)來作標(biāo)識(shí)。在反饋應(yīng)用中，通過配置放大器周邊的無源或有源器件，可以令系統(tǒng)執(zhí)行加、減、乘、除和對(duì)數(shù)等運(yùn)算。

比較器其實(shí)可看成一個(gè)能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號(hào)與已定義的參考電平進(jìn)行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設(shè)計(jì)具有多樣化的額外功能的模擬電路。而且，無論是高速ADC、SAR型ADC還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC的內(nèi)部基本而又關(guān)鍵的模塊。

在LM339的數(shù)據(jù)表中，列出了大量的應(yīng)用。這基本上可以解釋其在過去30年中為何被業(yè)界廣泛地采用。以下列出LM339的一些常見應(yīng)用：

·邏輯電平平移;

·過零檢測(cè)/觸發(fā)電路;

·電壓信號(hào)/電源電壓監(jiān)察;

·Window比較器、施密特觸發(fā)器;

·振蕩器;

·時(shí)鐘緩沖器;

·互導(dǎo)放大器。

比較器的基本體系結(jié)構(gòu)和大部份的參數(shù)屬性都與運(yùn)算放大器類似。因此，運(yùn)算放大器也可充當(dāng)比較器。但放大器并不是專門針對(duì)比較功能而開發(fā)的，而且放大器的數(shù)據(jù)表一般都不保證這項(xiàng)功能可否正常實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器與比較器的最大分別在于比較器是開環(huán)設(shè)計(jì)，沒有反饋環(huán)節(jié)，而且輸出會(huì)在任何一條電源軌的范圍內(nèi)顯示差分輸入信號(hào)的極性。

此外，比較器一般都會(huì)被設(shè)計(jì)成 “過壓驅(qū)動(dòng)”(overdriven)，意思是它可經(jīng)常處理較大的差分輸入電壓。相反，對(duì)于運(yùn)算放大器而言，它通常被設(shè)計(jì)成在較小的信號(hào)和差分電壓下運(yùn)行，而這里的反饋概念通常都含有 “過驅(qū)” 意義，這樣會(huì)導(dǎo)致開環(huán)配置中的輸入出現(xiàn)飽和效應(yīng)。如果將輸入的極性倒轉(zhuǎn)，則過驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的輸入級(jí)的飽和會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的傳播具有一定的延遲或相位滯后。

再者，對(duì)于較大的差分輸入電壓來說，運(yùn)算放大器的輸出很容易到達(dá)極限輸出，從而啟動(dòng)保護(hù)功能。保護(hù)功能的啟動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗的量級(jí)明顯下降，迫使過量的電流涌到輸入級(jí)，造成過載，甚至過熱。如果在設(shè)計(jì)上沒有保護(hù)的措施，那便可能導(dǎo)致整個(gè)器件損毀。因此，在器件的數(shù)據(jù)表，通常都會(huì)提供器件的最大輸入電流的額定值，以幫助設(shè)計(jì)人員決定用多少附加輸入電阻。

比較器和運(yùn)算放大器之間最基本的區(qū)別就是他們具有不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。開漏或開集(以MOSFET為例)輸出都有一個(gè)可用作輸出但卻不內(nèi)部連接到V+的節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)連接正電源電壓的外部電阻器會(huì)在晶體管被關(guān)閉時(shí)將輸出拉成 “高”。這個(gè)外部電壓可以高于VCC，并且允許電平移位或可通過平行數(shù)個(gè)器件的兩個(gè)或更多個(gè)輸出來達(dá)到所謂的 “Wired-Or”2 功能 。假如內(nèi)部的晶體管啟動(dòng)，一個(gè)細(xì)小的電流會(huì)從外部電源經(jīng)過上拉電阻器流進(jìn)器件輸出，并令輸出電壓級(jí)轉(zhuǎn)換成 “低” 和接近VCE (雙極晶體管中的集極-發(fā)射極電壓)。

比較器通常都不進(jìn)行頻率補(bǔ)償功能，因此其工作速度相當(dāng)高，同時(shí)開關(guān)時(shí)間也在某程度上取決于 “過驅(qū)”的程度。圖1表示出當(dāng)衡量一個(gè)輸出狀態(tài)變化時(shí)的差分輸入電壓。從圖中可看出過驅(qū)需要高于失調(diào)電壓才可以保證比較器有效地進(jìn)行工作。一般來說，較大的過驅(qū)可加快開關(guān)時(shí)間。

比較器一般都以參數(shù)值和/或功能來分類，例如：

·通用比較器;

·高速比較器(傳播延遲少于50毫微秒);

·低壓比較器(電源電壓VCC低于5V);

·微功率比較器(靜態(tài)電流低于20微安);

·集成參考的比較器。

比較器的特性取決于其類別，分別為：

·傳播延遲—由施加一個(gè)差分信號(hào)與切換狀態(tài)的輸出級(jí)之間的時(shí)間延遲 (例如是50%)。

·內(nèi)部或外部滯后— 滯后是一種介乎低到高開關(guān)電壓和高到低開關(guān)電壓之間的設(shè)計(jì)預(yù)算中或需激活的差別。有些比較器具備可調(diào)節(jié)滯后水平的功能，方法是通過在指定的引腳上施加電壓。

·上升及下降時(shí)間—一般是輸出電壓的10%至90%的時(shí)間，并且上升和下降緣的時(shí)間可以有差別，假如這情況出現(xiàn)，那將會(huì)導(dǎo)致輸出的周期時(shí)間會(huì)相對(duì)于輸入信號(hào)而改變。

·觸發(fā)率—指在某一個(gè)頻率下，比較器的輸出可以跟隨輸入的狀態(tài)來變化。

·消散—量度傳播延遲變化的參數(shù)。

·抖動(dòng)—可以是隨機(jī)或事前決定，負(fù)責(zé)量度信號(hào)緣在時(shí)間上的不定性。

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決定的。

選擇其中輸入端作為參考點(diǎn)(REF)來進(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。

下面顯示的是一個(gè)簡(jiǎn)單比較器的原理圖和輸出圖。

該電路構(gòu)成了許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括過零檢測(cè)器、張弛振蕩器、電平轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、窗口檢測(cè)器和施密特觸發(fā)器等。

在上面的原理圖中，運(yùn)放 -ve 輸入端的兩個(gè)電阻相等，使得 Vref = Vcc/2。當(dāng) Vin 超過該點(diǎn)時(shí)，輸出迅速變高。當(dāng) Vin 降至 Vref 以下時(shí)，輸出再次變低。

通過電阻器 R2 添加一些正反饋，將其變成施密特觸發(fā)器，其遲滯由 R2/R1 控制。大多數(shù)555定時(shí)器應(yīng)用都是基于使用它們自己的內(nèi)部比較器。

1、反相比較器

反相比較器是基于運(yùn)算放大器的比較器，其中參考電壓施加到其非反相端子，輸入電壓施加到其反相端子。該比較器稱為反相比較器，因?yàn)樾枰容^的輸入電壓施加到運(yùn)算放大器的反相端子。

反相比較器的操作很簡(jiǎn)單。它根據(jù)其輸入電壓和參考電壓的值在輸出處產(chǎn)生兩個(gè)值之一。反相比較器的電路圖如下圖所示。

2、同相比較器

同相比較器是基于運(yùn)算放大器的比較器，其中參考電壓施加到其反相端子。另一方面，輸入電壓施加到其非反相端子。這種基于運(yùn)算放大器的比較器稱為非反相比較器，因?yàn)楸仨毐容^的輸入電壓施加到運(yùn)算放大器的非反相端子。同相比較器的電路圖如下圖所示。

比較器采用集成電路原理，它是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。

圖1(a)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路)，R3=RF=∞(相當(dāng)于R3、RF開路)時(shí)，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖1(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。

從圖1中可以看出，比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。

同相放大器電路如下圖所示。如果圖2中RF=∞，R1=0時(shí)，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖2中的Vin相當(dāng)于圖3(b)中的VA。

1、使用LM339的LDR比較器電路圖

使用德州儀器 (TI) 的IC LM339設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)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(nèi)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(cè)電阻或LDR。這只是一個(gè)光敏元件，它會(huì)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(dāng)光照射到 LDR 傳感器時(shí)，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(dǎo)致引腳 3 處輸出低電平。

我們?cè)谝_ 5 處添加了可變電阻。由于可變電阻設(shè)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(hào)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(shè)置為低光強(qiáng)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(dāng)反相輸入端的電壓超過或低于非反相輸入端設(shè)置的閾值電壓時(shí)，比較器輸出就會(huì)改變狀態(tài)。 LDR 在黑暗中時(shí) 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(yīng)用。