电压比较器主要有哪些方面的应用？

电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。

什么是电压比较器

简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0～t1时，VA>VB;在t1～t2时，VB>VA;在t2～t3时，VA>VB。在这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：VA>VB时，Vout输出高电平(饱和输出);VB>VA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示，则Vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。

图2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。如果它的VA、VB输入电压如图1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。VB>VA时，Vout输出饱和负电压

如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图3(a)所示。此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平)，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。

比较器的工作原理

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。

图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图4(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。图5中的Vin相当于图3(b)中的VA。

比较器与运放的差别

运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高(使比较器响应速度更快)。另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。这里顺便要指出的是，比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。如在A/D变换器电路中要求采用精密比较器电路。

由于比较器与运放的内部结构基本相同，其大部分参数(电特性参数)与运放的参数项基本一样(如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等)。

电压比较器的应用

零交比较器

零交比较器的功能是将输入信号与零电位进行比较，测定输入电压是大于零还是小于零，用输出电压是高或低电平给出判断的结果。图5.4-63示出了零交比较器的电路。

图5.4-63的零交比较器，是同相端接地，反相端接输入信号，相对零电平进行比较。对图5.4-63的零交比较器，又称为反相零交比较器，若将图5.4-63中输入信号加在同相端，使反相接地，就得到了同相零比较器。

实际上，由于运放输入失调电压和失调电流的影响，使输入信号U1在稍许偏离零的电压上发生切换。如图5.4-62所示。所以在实际应用中，使用调零电路对失调进行补偿，才能使信号在0V时比较器切换。调零电路吸能在一定温度下，对失调进行补偿。对由于温漂引起的失调还会使切换点发生稍许偏移。有补偿失调的零交比较器和用零交比较器用作整形电路的波形图。

任意电平比较器

1、双端输入式电压比较器

图5.4-65为双端输入式比较器。将基准电压UR加在运放的同相端，比较信号U4加在反相端。实现电压比较。当UR为零时，就成为零交比较器。其工作原理与零交比较器相同，只是切换点电压不是0V而是基准电压UR的值。当U1大于UM时，比较器输出作出0的响应。

2、单端输入式电压比较器

单端输入式比较器是将输入信号和基准信号都加在比较器的反相端，使电路工作在反相输入状态，输入信号将不引进共模电压，因此，特别适用于基准电平超过运放共模电压范围的情况。图5.4-66示出了单端输入式比较器的电路。

由式可知，改变R2/R1的比值，或者改变基准电压UR，都能方便地调节门限电位。

该电路缺点是输入阻抗低，当R2/R1的值比较大时，失调电压U10及其温漂对电路的影响也变大。

电平滞后比较器

图5.4-67是反相型滞后比较器。由图中可以看出，引进正反馈后，使电路产生两个门限电压UTH和-UTH，它们是使比较器翻转的切换点。UTH和-UTH的差值△UTH是门限宽度，即是滞后电压。忽略运放的失调，用叠加原理可得双向翻转阀值为

由上式可见，改变UR可调节阀值而不影响滞后电压，就使设计者有了根据预计的最大噪声电压的值而选较比其大些的门限宽度△UTH，使电路具有一个等于门限宽度的内建抗噪声度。每当比较器切换， 小于门限宽度的干扰将不会引起再切换，不会造成错误的动作。这一优越的特性，使有滞后特性的比较器成为用途最广、适应性最强的一种电路。

图5.4-67中的二极管VD和稳压管VZ是后级电路电平需要所加的反馈限幅元件，C1是加速电容，超加速转换过程，减小比较器响应时间的作用。为了得到最小的失调误差，应使R1=R2||R1。

图5.4-67B示出了这种电平滞后比较器的传输特性图，由图中看出具有下行迟滞特性，简称下行特性，又称下行迟滞比较器。

如将图5.4-67的U1和UR对换，经上述同样的分析，则迟滞特性将由下行特性变成上行特性，又称上行迟滞特性由下行特性变成上行特性，又称上行迟滞比较器。

窗口电压比较器

窗口电压比较器如图5.4-68所示。图中比较器A1的同相端设置在参考上限电平UH=UL+KUZ上，比较器A2的反相端设置在参考下限电平UL上。同一输入信号加在两个比较器上，与两个参考电平同时比较，可以看出，只有当UL﹤U1﹤UH时，两个比较器输出均是高电平，把两个比较器输出均是高电平，把两个比较器输出“与”起来，输出UO也是逻辑电平1。这种情况只有在UL﹤U1﹤UH范围内才会发生。这个电路产生了一个窗口范围，它用逻辑1输出来表明输入信号落在UL和UH所予定的范围之中。当U1﹤UL或U1﹥UH时，输出逻辑电平是零，说明输入信号落在窗口之外。所以窗口电压比较器广泛用于分选和自动控制系统中。

电压比较器是一种常用的电子元件，其主要作用是用于比较两个信号的电压大小，并输出相应的比较结果。

在电路设计中，电压比较器有着广泛的应用，比如在模拟信号处理、控制系统等方面都扮演着重要的角色。

1.电压比较器的工作原理和功能

电压比较器通常由若干运算放大器、反馈电阻、输入电阻等元件组成，可以实现对两路信号的比较操作。

其基本工作原理是将输入信号与参考电平进行比较，然后输出一个高低电平结果。当输入电压大于参考电平时，输出为高电平;反之则为低电平。

2.电压比较器的特点

电压比较器具有下面几个特点：高精度、灵敏度高、响应速度快、功耗低等。

此外，还有一些器件具备超过输入电压范围的保护功能，能有效防止电路损坏。

3.电压比较器的应用

电压比较器广泛应用于实际电路设计中，比如在模拟信号处理、数字电路、自动控制等领域都有对应的应用场景。

举例来说，在温度传感器测量中，我们可以将传感器输出的电压数据与预设的基准电压进行比较，计算出相应的温度值。