詳解比較器器電路

一、什么是比較器？

比較器，具有兩個模擬電壓輸入端UIN+和UIN-，一個數字狀態輸出端UOUT，輸出端只有兩種狀態，用以表示兩個輸入端電位的高低關系：

UH代表高電平，UL代表低電平，具體的電位值，取決于系統的定義。常見的數字系統中，3.3V代表高電平，0V代表低電平；也有12V/5V代表高電平，0V代表低電平。

高低電平的本質：可以明顯區分的電位。

實現比較器的方法：

專門的比較器

運放實現比較器（不推薦）

二、用運放實現比較器

用運放實現比較器，局限性較大，一般不被建議，在要求不高的場合，運放可作為比較器。

三、簡單的運放比較器

1、理想比較器

作比較器應用時，一般都是將一個輸入端接成固定電位，稱為基準，用UREF表示，用另一個輸入端接被測電位uI，用于衡量被測電位與基準的關系。

理想運放與其輸入輸出關系

上圖為理想運放與其輸入輸出關系。圖中輸出只有兩種狀態：UH和UL。用運放實現的比較器，具有極高的開環增益（不是工作在負反饋狀態下）：

當輸入電壓大于基準電壓時，兩者的差乘以開環增益，一般都會超過正電源電壓，而使實際運放輸出為正電源電壓（軌對軌運放）。

當輸入電壓小于基準電壓時，兩者的差（負值）乘以開環增益，一般都會低于負電源電壓，而使運放的實際輸出為負電源電壓。

2、實際比較器

實際比較器

該曲線中的紅色虛線區域為比較器的不靈敏區。發生在輸入電壓非常接近基準電壓時，輸出是一個不確定的值。理想運放組成的比較器，不靈敏區為0.

這里有個思考的問題：不靈敏區越小越好或者說比較器越靈敏越好嗎？

四、比較器的靈敏度問題

對于一個過于靈敏的比較器，往往會給系統帶來麻煩。因為日常生活的輸入信號，它并不是一個理想的信號，它是包含噪聲信號的。

比較器靈敏度問題

將圖中藍色區域展開，可發現：對于一個非常靈敏的比較器， 噪聲信號是波動的，經常會在某個點低于基準點，從而使比較器發生翻轉。這就形成了有點所示的很多較小時間的脈沖，而這往往是不準確的。

舉個例子：生活中有些場所是有人員限制的，在進出口安裝紅外發生器和接收器，一旦有人經過就產生一個脈沖，但是給與比較器判斷的信號是有干擾的，如果明明進去一個人，但是像右圖所示產生了7個脈沖，判斷有7個人進去了，這是不準確的。我們可以通過軟件編程的方式判斷脈沖的時間，過小的時間不可能進去一個人，從而剔除干擾信號；也可以在模擬電路階段采取遲滯比較的方式來剔除。

如果把基準電壓從單個變成兩個呢？只有一個基準電壓，稱為單門限比較器；

五、遲滯比較器

遲滯比較器

如圖所示：兩個黃線表示兩個基準電壓，可以看出右邊黃線區間內的噪聲信號被濾除了，雖然這種情況還是存在噪聲干擾，但是明顯比單門限好得多。這兩個基準電壓越接近，效果就越接近單門限的效果。

遲滯比較器

原理：

當輸入電壓足夠負時，運放的負輸入端電壓總是小于正輸入端，因此輸出一定是正電源電壓+VCC(近似)，此時運放的正輸入端作為比較基準，為kVCC：

k=R1/R1+R2

隨著輸入電壓逐漸增大，工作點沿著紅色線一直向右移動， 到達B點，輸入電壓大于kVCC，此時運放的正輸入端電壓小于負輸入端電壓，輸出變為-VEE，即從B點處紅色跌落。此時，比較基準立即改變：由原先的kVCC變為-kVEE。這就表示：此時就算輸入電壓發生輕微的逆向翻轉，比較器也不翻轉。

圖中：假設從 A 開始，到 B 點翻轉，到 C點，紅色線一直向右，然后以綠色線回轉到達kVCC 處，比較器不翻轉，沿著綠色線一直到 D 點，才回到 A 點（重新回到高電平）。

拓展：

這個比較器的輸出狀態，不僅僅與輸入狀態相關，還與當前的輸出狀態有關，使得輸入輸出伏安特性曲線，呈現出類似遲滯回線的形態，因此稱為遲滯比較器。

遲滯比較器看起來比較遲鈍，但是帶來的好處是：只有明確的、強有力的輸入，才能引起輸出改變，而一旦改變，想要恢復，也得特別厲害的反向動作。

遲滯比較器

六、多種形態的遲滯比較器

前面提到的只是遲滯比較器的一種，它的伏安特性曲線是順時針旋轉的，且它的兩個閾值電壓是基于0V對稱的。當接入一個基準電壓UREF這就是更為常用的比較器。

多種形態的遲滯比較器

分析：

假設運放輸出高電平為 UOH（對理想運放來說，此值為VCC），輸出低電平為UOL，那么對輸入信號，電路有兩個比較翻轉點，較大的一個稱為UR+，較小的稱為UR-。

設正反饋系數為k，k值越接近于1，說明反饋越強烈，遲滯窗口越寬：

k=R1/R1+R2

當輸出為高電平時，翻轉點為：

U R + = UOHk + UREF ( 1 ? k )

當輸出為低電平時，翻轉點為：

U R ? = UOLk + UREF (1 ? k )

如果UOH=-UOL，即輸出對稱，可得到：

U R + = ( 1 ? k ) UREF + 0.5 U WDU

U R ? = ( 1 ? k ) UREF ? 0.5 UWU

其中，UWD代表兩個比較閾值之間的電壓寬度，或者叫窗口電壓。

UWD = UREF + ? U REF ? = ( VCC + VEE*（R1/R1+R2）)

拓展：

合理地選擇電路結構，選擇電阻值，可以做出符合設計要求的遲滯比較器：可改變順逆結構，可以改變中心閾值，可以改變閾值窗口電壓。

疊加原理分析

七、TINA-TI仿真

1、過零比較器

信號源VG1上疊加一個噪聲源VG2：

過零比較器

波形如下：

過零比較器波形

過零點展開：

過零比較器波形過零點展開

2、遲滯過零比較器

加入遲滯：

遲滯過零比較器

波形如下：

遲滯過零比較器波形

過零點展開：

遲滯過零比較器過零點展開

七、特點（缺點）

運放的輸出取決于供電電壓，與數字電平不一定匹配。

運放存在嚴重的過驅恢復時間，不利于高速運行。

運放靈敏度過高。

八、專門的比較器（實際比較器）

下面為LM311/LM111數據手冊：

LM311/LM111數據手冊

TINA-TI仿真

實際比較器TINA-TI仿真

波形：

實際比較器波形圖

審核編輯 ：李倩