电压比较器的应用与工作原理

电压比较器它在测量和控制系统中有着广泛的应用。

图8.17　运算放大器传输特性曲线

电压比较器的功能是将输入信号与电路中设定的基准电压进行比较，根据其比较大小确定电路的输出状态；其工作原理是利用运算放大器的非线性特性（如图8.17 所示的饱和区特性）来实现其功能。在电压比较器电路讨论时，常常用理想化传输特性曲线图8.17（b）进行分析，其正的最大值＋Uom≈＋UC，负的最大值－Uom≈－UC（即UC是运算放大器的外接直流电源值）。

1.零电压比较器

零电压比较器常用作为信号电压过零检测器。

1）反相输入零电压比较器

如图8.18 所示电路中，输入信号ui接反相输入端，基准电压UREF接同相输入端，因同相输入端接地，即基准电压UREF=0，所以图8.18 称为反相输入零电压比较器。

图8.18　反相输入零电压比较器及传输特性曲线

图8.18（a）（b）中，当ui稍小于零时，由于运算放大器电压放大倍数很高，uo将达到正的最大值+Uom，即 uo=+Uom≈+UC；当 ui稍大于零时，uo变为负的最大值-Uom，即uo=-Uom≈-UC。uo与ui之间关系如传输特性曲线图8.18（b）所示。

图8.18（c）（d）为了限制 uo的输出幅值，在电压比较器的输出端连接一个限幅器，如图8.18（c）所示。此时输出电压 uo=±Uom≈±UZ，如传输特性曲线图8.18（d）所示。

2）同相输入零电压比较器

图8.19 所示为同相输入零电压比较器，其工作原理与反相输入零电压比较器工作原理相似，即

图8.19（a）（b）中：ui﹥0时，uo=+Uom≈+UC，ui﹤0时，uo=-Uom≈-UC；

图8.19（c）（d）中：ui﹥0时，uo≈+UZ，ui﹤0时，uo≈-UZ。

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图8.19　同相输入零电压比较器及传输特性曲线

2.任意电压比较器

1）差动型任意电压比较器

在图8.20 中，UR为基准电压，UZ为稳压值，UD为稳压管正向导通电压值。当输入电压ui﹤UR时，稳压管导通，uo=-UD；而ui>UR时，稳压管工作反向击穿区，uo=+UZ，其传输特性如图8.20 所示。

2）求和型任意电压比较器

求和型任意电压比较器如图8.21（a）所示。其中UN、UP分别为两个稳压管的稳压值。由于u+=0，则根据零压比较器理论，需分析 ui在什么条件下能使u-﹥0或u-﹤0，即u-=0时的 ui对应参数值UC为比较电压（基准电压）。

电路图8.21（a）中的两个稳压管的连接为背靠背，通过稳压管的电流为零，则有

图8.20　差动型任意电压比较器及传输特性曲线

当u-=0时，上式为

即比较电压通过改变R1和R2可调整比较电压UC大小。设UR﹥0，有

当 ui﹥UC时，u-﹥0，uo=-UP；当 ui﹤UC时，u-﹤0，uo=UN。其传输特性曲线如图8.21（b）所示。

图8.21　求和型任意电压比较器及传输特性曲线