电压比较器原理分析

1、电压比较器原理分析第一章绪论电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路， 是组成非正弦波发生电路的基本 单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本文主要讲述各种电压比较器及其对 应的应用电路，讲述各种电压比较器的特点及其电压传输特性，同时阐述电压比较器的 组成特点和分析方法。电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下， 它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相 比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较 器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。图1图1所示为一最简单白电压

2、比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入 电压UI加在反相的输入端。第二章 电压比较器原理图电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此，可用电压比较器作为模拟电路和数字电路的接口电路。集成电压比较器虽然比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小，但其响应速度快，传输延迟时间短，而且一般不需要加限幅电路就可以直接驱动TTL、CMO和ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力强，还可以直接驱动继电器和指示灯。按一个器件上所含有电压比较器的个数，可分为单、双和四电压比较器；按功能，可分为通用性高速型低功耗型低电压型和高精度型电压比较器；按输出方

3、式，可分为普通集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种情况。集电极（或漏极）开路输出电压必须在输出端接一个电阻至电源，若一个为高电平，则另一个必为低电平。此外，还有的集成电压比较器带有选通断，用来控制电路是处于工作状态，还是处于禁止状态。所谓工作状态，是指点乱编电压传输特性工作；所谓禁止状态，是指电路不按电压传输特性工作，从输出端看进去相当于开路，即处于高阻状态。下面是对具体电压比较器的功能电路分析：（A）电路图1传输特性当UI<UR时，运 放输出高电平，稳压管DZ反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压 U乙 即 U0= UZ当UI>UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，

4、输出电压等于稳压管的正向压降UD 即 U0= -UD因此，以UR为界，当输入电压UI变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低 电位。表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线， 称为传输特性。 图 3 1（B） 为 （A）图比较器的传输特性。常用的电压比较器有过零电压比较器、 具有滞回特性的过零比较器、 滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。LM339常用来构成各种电压比较器集成电压比较器简介：作用：可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。应用：作为模拟电路和数字电路的接口电路。特点：比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，

5、而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS口 ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。第三章 电压比较器工作原理及应用电压比较器（ 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。3.1 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

6、，如图 1 所示。图 1（A） 是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“十端)，有一个输出端vouT俞出电平信号)。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VR VA和VB的变化如图1(B)所示。在时间0T1时，VA>VB在T1T2时，VB>VA在T2T3时，VA>VB在这种情 况下，VOUT勺输出如图1所示：VA>VBM, VOUT俞出高电平(饱和输出)；VB>VA寸，VOUT输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。V+图1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俞出

7、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寸，VOUT俞出饱和负电压。v+图2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所示，它一般用作过零检测3.2 电压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

8、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 贝U 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=o(相当于R3 RF开路)时，VOUT=0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，

9、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。图4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) 样的比较器电路了。图5中的VIN相当于图3(B)中的VA3.3 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

10、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，"LMWX X电平整接身给就屯制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 ）。第四章比较器典型应用电路分析这里举两个简单的比较器电路为例来说明其应用。4.1 散热风扇自动控制电路为了更好地控制风扇，以使风扇能够良好的

11、工作，需达到以下两个要求一：总冷却需求首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求：必须转换的热量( 即温差 DT)抵消转换热量的瓦特数(W)移除热量所需的风量(CFM)总冷却需求对于有效地运作系统甚为重要。有效率的系统运作必须提供理想的运作条件，使所有系统的组件均能发挥最大的功能与最长的使用年限。下列几个方式，可用来选择一般用的风扇马达：1. 算出设备部产生的热量。2. 决定设备部所能允许的温度上升围。3. 从方程式计算所需的风量。4. 估计设备用的系统阻抗。5. 根据目录的特性曲线或规格书来选择所需的风扇。如果已知系统设备部散热量与允许的总温度上升量，可得到冷却设备所需的风量。以下为基本的热转

12、换方程式:H = CPX W<AT其中H = 热转换量CP = 空气比热< T = 设备上升的温度W = 流动空气重量我们已知W = CFMKD其中 D = 空气密度经由代换后，我们得到 :再由转换因子（CONVERSIOFACTORS）代入海平面空气的比热与密度，可得到以下的散热方程式：CFM = 3160X 千瓦/ F然后得到下列方程式：其中Q冷却所需的风量P：设备部散热量（即设备消耗的电功率）TF:允许部温升（华氏）TC:允许部温升（摄氏）DT = DT1与DT2之温差温升与所需风量之换算表KWH0.511.522.533.544.55DTDTCT50901835537088

13、1051231411581764581203959789811713715617619540722244668811013215417619522035632550751001251511762012262513054295988117146176205234264 2932545357510514117621124628131635120364488132176220264308351396439152759117176234293351410469527586101888176264351439527615704791879591763515277048791055123014061582

14、1758例一：设备部消耗电功率为500瓦，温差为华氏20度，下列为其计算结果:例二：设备部消耗电功率为 500瓦，温差为摄氏10度:二：全部系统阻抗系统特性曲线空气流动时， 气流在其流动路径会遇上系统部零件的阻扰， 其阻抗会限制空气自由流通。压力的变化即测量到的静压，以英时水柱表示。为了确认每一槽排（SLOT）之冷却瓦特数，系统设计或制造厂商不但必须有风扇的有效风扇特性曲线以决定其最大风量，而且必须知道系统的风阻曲线。系统部的零件会造成风压的损失。此损失因风量而变化，即所谓的系统阻抗。系统特性曲线之定义如下：DP = KQN其中 K = 系统特定系数Q =风量（立方!）N = 扰流因素， 1

15、< N < 2平层气流时，N = 1乱流气流时，N = 2一些大功率器件或模块在工作时会产生较多热量使温度升高，一般采用散热片并用风扇来冷却以保证正常工作。这里介绍一种极简单的温度控制电路，如图 7 所示。负温度系数（NTC）热敏电阻RT粘贴在散热片上检测功率器件的温度（散热片上的温度要比器件的温度略低一些），当5V电压加在RT及R1电阻上时，在A点有一个电压VA当散热片上的温度上升时，则热敏电阻RT 的阻值下降，使VA 上升。RT 的温度特性如图 8所示。它的电阻与温度变化曲线虽然线性度并不好，但是它是单值函数（ 即温度一定时，其阻值也是一定的单值） 。如果我们设定在80时应接通

16、散热风扇，这80即设定的阈值温度TTH在特性曲线上可找到在80c时对应的RT的阻值。R1的阻值是不变的（它安装在电路板上，在环境温度变化不大时可认为 R1 值不变 ） ，则可以计算出在80时的VA值。图7图8R2与RPffl成分压器,当5V电源电压是稳定电压时（电压稳定性较好），调节RP可 以改变VB的电压（电位器中心头的电压值）。VB值为比较器设定的阈值电压，称为 VTH设计时希望散热片上的温度一旦超过 80c时接通散热风扇实现散热，则 VTH的值 应等于80c时的K值。一旦VA>VTH则比较器输出低电平，继电器K吸合，散热风扇（直 流电机）得电工作，使大功率器件降温。 VA VTH电

17、压变化及比较器输出电压 VOUT勺特 性如图9所示。这里要说清楚的是在 VA开始大于VTH时，风扇工作，但散热体有较大 的热量，要经过一定时问才能把 温度降到 80 度以下。图9从图7可看出，要改变阈值温度TTH十分方便，只要相应地改变 VTH值即可。VTH 值增大，TTH增大；反之亦然，调整十分方便。只要 RT确定，RT的温度特性确定，则 R1、R2、RP可方便求出（设流过RK R1及R2、RP的电流各为0.10.5MA）。4.2 窗口比较器窗口比较器常用两个比较器组成（双比较器），它有两个阈值电压VTHHe阈值电压） 及VTHL砥阈值电压），与VTHHM VTHL比较的电压VA输入两个比较

18、器。若 VTHLC VAC VTHH VOUT俞出高电平；若 VA<VTHL VA>VTHH则VOUT俞出低电平，如图10所示。图10是一个冰箱报警器电路。冰箱正常工作温度设为 05C, （0C到5c是一个“窗 口”），在此温度围时比较器输出高电平（表示温度正常）；若冰箱温度低于0V或高于5C, 则比较器输出低电平，此低电平信号电压输入微控制器 （MC）作报警信号。图10其中， 将热敏电阻转换成具有温度特性的电阻功能，即将非电量转换成电量之间的转换关系可用如下公式：UA=R1/R2+RA,RA 为热敏电阻的阻值；温度传感器采用NTCB敏电阻RT,已知RT在0c时阻值为333.1KQ; 5c时阻值为 258.3KQ,则按1.5V工作电压及流过 R1、RT的电流约1.5 UA可求出R1的值。R1的 值确定后，可计算出0c时的VA值为0.5V（按图10中R1=665©时），5c时的VA值为 0.42V,则 VTHL=0.42V VTHH=0.5V 若设 R2=665K 则按图 11,可求出流过 R2、