单限电压比较器的工作原理和应用场景

比较器门限电压（又称阈值电压）是指输出由一种状态跳变到另一种状态时所对应的输入电压值。只有一个门限电压的比较器称为单限电压比较器，若门限电压为零，称为过零电压比较器；若门限电压不为零，称为非零门限电压比较器。

1.过零电压比较器

在图9-16a所示的过零电压比较器中，参考电压U_R=0，输入电压u_i从集成运放的反相端输入，当u_I略小于零时，因集成运放处于开环状态，具有很大的开环电压增益，故输出电压u_o将达到正向最大值（+U_OM）；当u_I略大于零时，u_O立即跳变为负向最大值（-U_OM），+U_OM和-U_OM分别为集成运放处于饱和状态时的正、负向输出电压幅值。只有当u_i≈0V时，集成运放才处于线性放大区，u_O=A_uu_I。这种设定参考电压U_R=0V的比较器称为过零电压比较器，其电压传输特性如图9-16b所示，图中使输出电压发生跳变时所对应的输入电压值，称为阈值电压（或门限电压）U_th。由图9-16a可知，输出信号发生跳变时，集成运放的输入电压u+-u-=0，即u+=u-，而u+=0，u+=u i，所以反相输入过零比较器的阈值电压U_th=0V。由 图9-16b可 知，当u_I＞0时，u_O=+U_OM；当u_I＜0时，u_O=+U_OM。

图9-16 过零电压比较器（反相输入）

a）电路图 b）电压传输特性

同理也可构成同相输入过零电压比较器，它的阈值电压U_th也为零，请读者自行比较设计。两种接法的过零电压比较器，实际使用时究竟采用哪一种，应视比较器的前后电路所需的电压极性来决定。

2.非零门限电压比较器

非零门限电压比较器的电路如图9-17a所示，可以看出，此电路是在过零电压比较器的基础上，将参考电压U_R通过电阻R₂也接在集成运放的反相输入端而得到的。由于输入电压u_I与参考电压U_R接成求和电路的形式，因此这种比较器也称为求和型单限比较器。

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图9-17 非零门限电压比较器（反相输入）

a）电路图 b）电压传输特性

【例9-5】对于图9-17a的电压比较器，设双向稳压管VD_Z的稳定电压值±U_Z=±6V，U_R=3V，R₁=10kΩ，R₂=15kΩ。试求此电压比较器的阈值电压，并画出它的电压传输特性曲线。

解：输出电压发生跳变的临界条件为u-≈u+=0V，根据图9-17a得

因此有

当u_I＜U_th=-2V时，电路输出高电平，u_O=+U_Z=+6V；当u_I＞U_th=-2V时，电路输出低电平，u_O=-U_Z=-6V。画出比较器的传输特性曲线如图9-17b所示。