电压比较器：工作原理与应用分析

电压比较器用于比较输入电压和参考电压的大小，用于测量、控制以及波形发生等方面.

当运放为非线性应用时，其电路结构一般处于开环状态，有时为了提高在状态转换时的速度，在电路中引入正反馈.

根据比较器的传输特性来分类，常用的比较器有过零比较器、单限比较器、双限比较器以及迟滞比较器等.

1.过零比较器

参考电压UR=0时的比较器称为过零比较器.每当输入信号穿过零值，过零比较器输出状态改变一次，因此过零比较器常用于信号的正负值检测.

图5-19　过零比较器及电压传输特性曲线

过零比较器是最简单的一种比较器，当ui＜0时，uo=＋Uom；当ui＞0时，uo=-Uom.

2.单限比较器

单限比较器是指有一个门限电平（电平是一种表示电压、电流或功率相对大小的参数），当输入信号等于此门限电平时，比较器输出端的状态立即发生跳变.单限比较器可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定的电平.

图5-20所示为一种单限比较器.可以看出此电路是在图5-19所示过零比较器的基础上，在同相端接入一参考电压UREF而得到的.

图5-20　单限比较器

由图可见，当输入电压ui＜UREF时，uo=＋UZ；当ui＞UREF时，uo=-UZ，故门限电压为UREF.

组成单限比较器的电路可以有多种，图5-21所示电路为另一种单限比较器.电路中输入电压ui与参考电压UREF接到运放的反相输入端，运放的同相输入端接地.

图5-21　单限比较器

由图可见，输出电压跳变的临界条件是u-≈u＋=0.在满足上述条件时，由图5-21可得

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因此

当ui＜UT时，u-为负，u＋＞u-，uo为高电平，uo=＋UZ；反之，uo=-UZ.由此可画出此单限比较器的传输特性，如图5-21（b）所示.

3.迟滞比较器

单限比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，但是存在的主要问题是抗干扰能力差.如果输入信号受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动时，则输出电压可能发生多次跳变.如在控制系统中发生这种情况，则可能产生误动作，将对执行机构产生不利影响.

采用具有滞回传输特性的比较器可以有效地提高电路的抗干扰能力.迟滞比较器又称为施密特触发器，其电路如图5-22所示.

图5-22　迟滞比较器

输入电压ui经电阻R1加在反相输入端，参考电压UREF经电阻R2接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端.电阻R和双向稳压管VDZ起限幅作用，将输出电压的幅度限制在±UZ.

两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号ΔUT表示，通过计算可得：

由式（5-14）可见，门限宽度ΔUT的值取决于UZ、R2及Rf的值，但与参考电压UREF无关.改变UREF的大小可以同时调节两个门限电平UT＋和UT-的大小，但二者之差ΔUT不变.也就是说，当UREF改变时，迟滞比较器的传输特性将平行移动，但滞回曲线的宽度将保持不变.

4.双限比较器

双限比较器是另一类常用的比较器.它有两个门限电平，当输入信号处于两个门限电平之间时，输出是一种状态；当输入信号大于或小于两个门限电平时，输出是另一种状态.

双限比较器的一种电路如图5-23（a）所示.由图可看出，电路是由一个反相输入比较器和一个同相输入比较器组合而成的.

图5-23　双限比较器

设两个参考电压UREF1＞UREF2.由图看出，当ui＜UREF2时，运放A1输出低电平，A2输出高电平，于是二极管VD1截止，VD2导通，则输出电压uo为高电平.当ui＞UREF1时，运放A1输出高电平，A2输出低电平，则VD1导通，VD2截止，则输出电压uo为高电平.只有当uREF2＜ui＜UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VD1、VD2均截止，则输出电压uo为低电平.比较器的电压传输特性如图5-23（b）所示.可见这种比较器有两个门限电平：上门限电平UTH和下门限电平UTL.图示电路的UTH=UREF1，UTL=UREF2.

由于双限比较器的电压传输特性形状像一个窗孔，所以又称为窗孔比较器（Window Comparator）.