模拟电路教程 运算放大器比较器电路特性分析

作者：白老大大

该运算放大器比较器比较与另一模拟电压电平一个模拟电压电平，或一些预先设定的基准电压，V REF，并且产生基于该电压比较的输出信号。换句话说，运算放大器电压比较器比较两个电压输入的幅度，并确定哪个是最大的。

我们在以前的教程中已经看到，运算放大器可以与负反馈一起使用，以控制其线性区域中的输出信号的大小，从而执行各种不同的功能。我们还看到，标准运算放大器的特征在于其开环增益A O，其输出电压由以下表达式表示：V OUT  = A O（V + – V-）其中V +和V-对应于电压分别在同相和反相端子上。

另一方面，电压比较器要么使用正反馈，要么根本不使用反馈（开环模式），以在两个饱和状态之间切换其输出，因为在开环模式下，放大器的电压增益基本上等于A VO。然后，由于该高的开环增益，比较器的输出在施加通过某个预设阈值的变化的输入信号时，要么完全摆到其正电源轨+ Vcc要么完全摆到其负电源轨-Vcc。

开环运算放大器比较器是一个模拟电路，它在非线性区域中工作，因为两个模拟输入（V +和V-）的变化会导致它像数字双稳态器件那样工作，因为触发会使其具有两个可能的输出状态，+ Vcc或-Vcc。然后我们可以说电压比较器本质上是一个1位模数转换器，因为输入信号是模拟信号，而输出却是数字信号。

运算放大器比较器电路特性分析教程

考虑下面的基本运算放大器电压比较器电路。

运算放大器比较器电路

参考上面的运算放大器比较器电路，首先假设V IN小于V REF处的直流电压电平（  V IN  

如果现在我们增加输入电压V IN，使其值大于反相输入上的参考电压V REF，则输出电压会迅速将HIGH切换为正电源电压+ Vcc，从而导致输出为正饱和。如果我们再次降低输入电压V IN，使其略小于参考电压，则运算放大器的输出将切换回其负饱和电压，用作阈值检测器。

然后我们可以看到运算放大器电压比较器是一种器件，其输出取决于输入电压V IN相对于某些直流电压电平的值，因为当同相输入端的电压为大于反相输入电压，当同相输入小于反相输入电压时为LOW。无论输入信号是连接到比较器的反相输入还是同相输入，此条件均成立。

我们还可以看到，输出电压的值完全取决于运算放大器的电源电压。理论上，由于运算放大器具有很高的开环增益，其输出电压的大小在两个方向上都可能是无限的（± ∞）。但是实际上，由于明显的原因，它受到运放电源轨的限制，即V OUT  = + Vcc或V OUT  = -Vcc。

我们之前曾说过，基本运算放大器比较器通过将其输入电压与某个预设的DC参考电压进行比较来产生正电压或负电压输出。通常，电阻分压器用于设置比较器的输入参考电压，但如图所示，可以使用电池源，齐纳二极管或用于可变参考电压的电位计。

比较器参考电压

理论上，比较器的参考电压可以设置为0v至电源电压之间的任意值，但实际电压范围存在实际限制，具体取决于所用器件的运算放大器比较器。

正负电压比较器

基本的运算放大器比较器电路可用于检测正向或负向输入电压，具体取决于我们还将固定参考电压源和输入电压连接到运算放大器的哪个输入。在上面的示例中，我们使用了反相输入来设置参考电压，而输入电压则连接到同相输入。

但是同样地，我们可以用另一种方式将比较器的输入连接起来，以将输出信号反相为上述所示的信号。然后，可以将运算放大器比较器配置为以反相或同相配置工作。

正电压比较器

正电压比较器的基本配置（也称为同相比较器电路）检测输入信号V IN高于或高于参考电压的正电压V REF何时在V OUT产生输出，如图所示。

同相比较器电路

在这种同相配置中，参考电压连接到运算放大器的反相输入，输入信号连接到同相输入。为了简单起见，我们假定两个电阻器形成分压器网络是相等的，并且：R1 = R2 = R。这将产生一个固定的参考电压，该参考电压是电源电压的一半，即Vcc / 2，而输入电压可在零到电源电压之间变化。

当V IN大于V REF时，运算放大器比较器的输出将朝着正电源轨Vcc饱和。当V IN小于V REF时，运算放大器比较器的输出将改变状态，并在负电源轨0v处饱和，如图所示。

负电压比较器

负电压比较器的基本配置（也称为反相比较器电路）可检测输入信号V IN低于或低于参考电压的负值，V REF如图所示在V OUT产生高输出。

反相比较器电路

在与上面的正配置相反的反相配置中，参考电压连接到运算放大器的同相输入，而输入信号连接到反相输入。然后，当V IN小于V REF时，运算放大器比较器的输出将向正电源轨Vcc饱和。

同样，当V IN大于V REF时，情况也是如此，运算放大器比较器的输出将改变状态并向负电源轨0v饱和。

然后，根据我们用于信号和参考电压的运算放大器输入，我们可以产生一个反相或同相输出。通过组合上面的两个运算放大器比较器电路以产生一个窗口比较器电路，我们可以进一步一步一步地检测到负信号或正信号。

窗口比较器

甲窗口比较器是基本上反相和以上组合成单个比较器级的非反相比较器。窗口比较器检测在特定电压带或电压窗口内的输入电压电平，而不是指示电压是大于还是小于某个预设或固定电压参考点。

这次，窗口比较器将不再具有仅一个参考电压值，而是将具有由一对电压比较器实现的两个参考电压。一种在检测到某个较高电压阈值V REF（UPPER）时触发运算放大器比较器，另一种在检测到较低电压阈值V REF（LOWER）时触发运算放大器比较器。然后，这两个上下参考电压之间的电压电平称为“窗口”，因此得名。

使用上面关于分压器网络的想法，如果现在使用三个等值电阻器，使得R1 = R2 = R3 = R，我们可以创建一个非常简单的窗口比较器电路，如图所示。同样，当电阻值全部相等时，每个电阻上的压降也将等于电源电压1 / 3Vcc的三分之一。因此，为简便起见，在这个简单的窗口比较器示例中，我们可以将较高的参考电压设置为2 / 3Vcc，而将较低的参考电压设置为1 / 3Vcc。

考虑下面的窗口比较器电路。

窗口比较器电路

电路的初始开关条件是运算放大器A 1的集电极开路输出为“ OFF”，运算放大器A 2的集电极开路输出为“ ON”（吸收电流），因此V OUT等于0V。

当V IN低于较低电压电平时，V REF（LOWER）等于1 / 3Vcc，V OUT将为低电平。当V IN超过此1 / 3Vcc的较低电压电平时，第一个运算放大器比较器检测到此情况，并将其集电极开路输出切换为HIGH。这意味着两个运放同时具有高电平输出。没有电流流过上拉电阻R L，因此V OUT等于Vcc。

如V IN继续增加它通过上部电压电平，V REF（UPPER）在2 / 3Vcc时。此时，第二个运算放大器比较器检测到此情况，并将其输出切换为LOW，并且V OUT等于0V。
然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之间的差（在本示例中为2 / 3Vccc – 1 / 3Vcc）创建了正向信号的切换窗口。

现在让我们假设V IN为最大值，并且等于Vcc。当V IN减小时，它通过第二个运算放大器比较器的较高电压电平V REF（UPPER），后者将输出切换为高电平。随着V IN继续降低，它通过了较低的电压电平，第一个运算放大器比较器的V REF（LOWER）再次将输出切换为LOW。

然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之间的差为负向信号创建窗口。因此，我们可以看到，当V IN超过两个运算放大器比较器设置的上下参考电平时，输出信号V OUT将为HIGH或LOW。

在这个简单的示例中，我们将上限跳闸电平设置为2 / 3Vcc，将下限跳闸电平设置为1 / 3Vcc（因为我们使用了三个相等值的电阻器），但是可以通过调整输入阈值来选择任意值。结果，可以针对给定的应用定制窗口宽度。

如果我们使用双电源，并且将上下跳闸电平设置为±10伏，并且V IN是正弦波形，那么我们可以将该窗口比较器电路用作正弦波的过零检测器，这将产生输出，正弦波每次从正到负或从负到正穿过零伏线时为高或低。

我们可以通过以下方法进一步检测电压电平：将多个不同的运算放大器比较器通过一个公共输入信号连接在一起，但每个比较器使用一个由我们现在熟悉的电源分压器网络设置的不同基准电压。考虑下面的电压电平检测器电路。

比较器电压电平检测器

如上所述，分压器网络为各个运算放大器比较器电路提供了一组参考电压。为了产生四个参考电压，将需要五个电阻。底部一对电阻器的结点将产生参考电压，该电压是使用等值电阻器的电源电压的1 / 5Vcc的五分之一。第二对是2 / 5Vcc，第三对是3 / 5Vcc，依此类推，这些参考电压朝着5 / 5Vcc（实际上是Vcc）增加了五分之一（1/5）的固定量。

随着公共输入电压的增加，每个运算放大器比较器电路的输出依次切换，从而从较低的比较器A 4开始断开连接的LED，并随着输入电压的增加而朝A 1向上发光。因此，通过设置分压器网络中电阻的值，可以将比较器配置为检测任何电压电平。使用电压电平检测和指示的一个很好的例子是通过反转LED并将它们连接到0V（接地）而不是V CC来进行电池状态监测。

同样，通过增加集合中运算放大器比较器的数量，可以创建更多的触发点。因此，例如，如果我们在链中有八个运算放大器比较器，并将每个比较器的输出馈送到8到3行数字编码器，我们可以制造一个非常简单的模数转换器（ADC），会将模拟输入信号转换为3位二进制代码（0至7）。

具有正反馈的运算放大器比较器

我们在这里已经看到，运算放大器可以配置为在开环模式下作为比较器工作，如果输入信号变化迅速或噪声不太大，这很好。但是，如果输入信号V IN变化缓慢或存在电气噪声，则运算放大器比较器可能会在输入信号徘徊在+ Vcc和-Vcc两个饱和状态之间来回切换其输出。参考电压，V REF电平。克服此问题并避免运算放大器振荡的一种方法是在比较器周围提供正反馈。

顾名思义，正反馈是一种通过两个电阻设置的分压器将同相输出信号的一部分或一部分反馈到运算放大器的同相输入的技术。与他们的比例成正比。

在运算放大器比较器周围使用正反馈意味着一旦将输出触发为任一电平的饱和，在输出切换回原始饱和点之前，输入信号V IN必须发生重大变化。两个开关点之间的这种差异称为滞后现象，通常称为施密特触发器电路。考虑下面的反相比较器电路。

具有迟滞的反相运算放大器比较器

对于上面的反相比较器电路，V IN被施加到运算放大器的反相输入。电阻器R 1和R 2在比较器两端形成一个分压器网络，提供正反馈，一部分输出电压出现在同相输入端。反馈量由所使用的两个电阻的电阻比确定，并给出为：

分压器方程
 


其中：β（beta）可用于指示反馈分数。
当输入信号小于参考电压V IN  

随着输入信号V IN的增加，其正向输入端的上跳变点电压V UTP电平也变得相等。这导致比较器输出将状态更改为LOW，V OL并等于负负饱和电压。

但是这次的区别是，由于在同相输入端现在出现一个负电压，该第二个跳变点电压值被创建，该负电压等于：-β* Vcc，这是输出端的负饱和电压的结果。然后，输入信号现在必须降到该第二电压电平以下，称为下跳变点或LTP，以使电压比较器输出改变或切换回其原始正状态。

因此，我们可以看到，当输出改变状态时，同相输入端的参考电压也会改变，从而产生两个不同的参考电压值和两个不同的开关点。一个点称为上跳闸点（UTP），另一点称为下跳闸点（LTP）。这两个跳变点之间的差异称为磁滞。

磁滞量由反馈到同相输入的输出电压的反馈分数β决定。正反馈的优势在于，所得的比较器施密特触发器电路不受噪声或迟滞带内缓慢变化的输入信号引起的不稳定触发的影响，从而产生更清晰的输出信号，因为运算放大器比较器的输出仅触发一次。
因此，对于正输出电压，V REF  = +β* Vcc，但对于负输出电压，V REF  =-β* Vcc。那么我们可以说，电压滞后的量为：
 



我们还可以通过改变输入和参考端子来产生具有内置磁滞的同相运算放大器比较器电路，如下所示：

具滞回功能的同相运算放大器比较器

请注意，磁滞曲线上的箭头表示上下跳变点处的切换方向。

比较器示例1

运算放大器将与正反馈一起使用，以产生施密特触发器电路。如果电阻R 1  =10kΩ，电阻R 2  =90kΩ，则将运放连接到±10v双电源时，参考电压的上下开关点的值以及磁滞的宽度将是多少？供应。
给定：R 1  =10kΩ，R 2  =90kΩ。电源+ Vcc = 10v和-Vcc = 10v。
反馈分数：



高电压跳变点，V UTP


 
较低的电压跳变点，V LTP
 


磁滞宽度：

然后，当输出从一个电平饱和到另一个电平时，参考电压V REF在+ 1V和-1V之间切换。希望我们能从这个简单的例子中看到，只需调节反馈电阻R 1和R 2的分压比，就可以使该滞后的宽度（共2伏）变大或变小。

电压比较器

尽管我们可以将诸如741的运算放大器用作基本的比较器电路，但问题是运算放大器仅针对线性操作进行了优化。这就是输入端子实际上处于相同电压电平的地方，其输出级被设计为产生线性输出电压，该线性输出电压不会长时间保持饱和。此外，标准运算放大器还设计用于闭环应用，从其输出到其反相输入具有负反馈。

另一方面，专用电压比较器是一种非线性设备，当输入信号相差相对较小时，由于其很高的增益，它可以实现很高的饱和度。运算放大器比较器和电压比较器之间的差异在于输出级，因为标准运算放大器的输出级针对线性操作进行了优化，而电压比较器的输出级针对连续饱和操作进行了优化。总是要靠近一个供电轨或另一个供电轨，而不能位于两者之间。

商用比较器，例如LM311单比较器，LM339四通道比较器或LM393双差分比较器，都是电压比较器，采用标准IC封装，由单电源或双电源供电。这些专用电压比较器的设计目的仅是为了从一个饱和状态非常快地切换输出，因为用于电压比较器输出级的晶体管通常是开关晶体管。

由于电压比较器将线性输入信号转换为数字输出信号，因此它们通常用于连接两个具有不同电源或参考电压的不同电信号。结果，电压比较器的输出级通常被配置为具有打开或关闭状态而不是如图所示的实际输出电压的单个开集电极（或漏极）晶体管开关。

电压比较器电路

此处，电压比较器的集电极开路输出通过单个上拉电阻器（和用于指示的LED）连接到电压源，该电阻将单个输出拉高至电源。当输出开关为HIGH时，它将创建一个高阻抗路径，因此当V OUT  = Vcc时，没有电流流过。

当比较器改变状态并且输出开关为LOW时，它会形成一条接地的低阻抗路径，并且电流流过上拉电阻器（和LED），从而在其两端产生电压降，同时输出被拉至较低的电源电平，在这种情况下接地。

然后我们可以看到运算放大器比较器的原理图符号与电压比较器或其内部电路之间的差异很小。主要区别在于集电极或漏极开路配置的输出级可用于驱动继电器，灯等。通过从输出驱动晶体管，可以提供比单独比较器输出更大的开关电流容量。

运算放大器比较器摘要

在关于运放比较器的本教程中，我们看到比较器电路基本上是一个没有反馈的运算放大器，也就是说，运放用于其开环配置，并且当输入电压V IN超过预设参考电压V REF，输出改变状态。

由于运算放大器的开环增益非常高，因此将其用于正反馈甚至根本没有反馈会导致输出饱和到其电源轨，从而根据两个放大器的相对值产生两个不同的输出电压之一输入。这种双稳态行为是非线性的，并构成了运算放大器比较器和施密特触发器电路的基础。

专用比较器的输出级（例如单个LM311，双LM393或四LM339）被设计为在其饱和区工作，从而使这些电压比较器电路可以广泛用于模数转换器应用以及各种类型的电压电平检测电路。

通过在比较器的输出和输入之间添加正反馈，可以轻松克服开环比较器的不稳定开关行为。通过正反馈，该电路具有磁滞现象，输出切换发生在两个不同的开关点（UTP和LTP）之间。

运算放大器窗口比较器是一种电压比较器电路，它使用两个运算放大器比较器来产生一个二态输出，该输出通过使用两个参考电压来指示输入电压是否在特定范围内或值的窗口内。上参考电压和下参考电压。

尽管运算放大器和比较器看起来很相似，但它们却有很大不同，并且设计为在不同的应用中使用，因为运算放大器可以用作比较器，而电压比较器则不能用作运算放大器。线性输出级。

从以前的教程中我们知道，运算放大器是具有差分模拟输入和模拟输出的模拟设备，如果以开环配置进行操作，其输出将充当比较器输出。但是专用电压比较器（LM311，LM393，LM339）已广泛使用，其性能将比标准运算放大器比较器好得多。