电压比较器工作原理及应用

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。　　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，。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。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：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，则Vout输出。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。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，。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），，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，，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）。　　比较器典型应用电路　　这里举两个简单的比较器电路为例来说明其应用。　　1.散热风扇自动控制电路　　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，。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。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80℃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。　　 　　R2与RP组成分压器，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80℃时接通散热风扇实现散热，则VTH的值应等于80℃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电压变化及比较器输出电压Vout的特性。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℃以下。　　　　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RT、R1及R2、RP的电流各为0.1～0.5mA）。　　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VTHH（高阈值电压）及VTHL（低阈值电压），与VTHH及VTHL比较的电压VA输入两个比较器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout输出高电平；若VA《VTHL，VA》VTHH，则Vout输出低电平，。图10是一个冰箱报警器电路。冰箱正常工作温度设为0～5℃，（0℃到5℃是一个“窗口”），在此温度范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5℃，则比较器输出低电平，此低电平信号电压输入微控制器（μC）作报警信号。　　　　温度传感器采用NTC热敏电阻RT，已知RT在0℃时阻值为333.1kΩ；5℃时阻值为258.3kΩ，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0℃时的VA值为0.5V（按图10中R1=665kΩ时），5℃时的VA值为0.42V，则VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若设R2=665kΩ，则按图11，可求出流过R2、R3、R4电阻的电流I=（1.5V-0.5V）/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=（R3+R4）0.0015mA， 则可求出R3=53.3kΩ。　　　　本例中两个比较器采用低工作电压、低功耗、互补输出双比较器LT1017，无需外接上拉电阻。