电压比较器及其传输特性探析

电压比较器是一种将输入电压u_i与参考电压U_REF进行比较的电路。当输入电压大于或小于参考电压时，输出电压u_o将产生翻转，由高电平变为低电平或由低电平变为高电平。比较器常用于越线报警、模数转换和波形变换等场合。

图4-31 过零电压比较器

1.单门限电压比较器

简单的电压比较器如图4-31a所示，图中运放的同相输入端接地，即参考电压U_REF=0，反相输入端接待比较的输入电压u_i。由于运放工作在开环状态，具有很高的电压增益，所以当u_i＞0时，运放处于负的饱和状态，输出为负的最大值，即低电平U_oL；当u_i＜0时，运放处于正的饱和状态，输出为正的最大值，即高电平U_oH。单门限电压比较器的传输特性如图4-31b所示。由于运算放大器是在u_i=0时，输出电压发生翻转，因此，图4-31a所示电路称为过零电压比较器。

如果将运放的反相输入端与地之间接一个参考电压U_REF，同相输入端接待比较电压u_i，就构成同相单门限电压比较器，如图4-32a所示。图中输出端与地之间接双向稳压二极管，用来限定输出端的高低电平，输出端的电阻R为稳压管的限流电阻。

同相单门限电压比较器的工作原理与过零比较器相似，当u_i＞U_REF时，输出为高电平u_o=U_OH=U_Z；当u_i＜U_REF时，输出为低电平u_o=U_OL=-U_Z，其传输特性如图4-32b所示。由于输入电压u_i从运放的同相输入端输入，而且只有一个门限电压，所以称为同相输入单门限电压比较器。如果将运放的反相输入端接输入电压，同相输入端接比较电压，则称为反相输入单门限电压比较器。

图4-32 同相输入单门限电压比较器

2.迟滞比较器

单门限电压比较器在工作时，由于只有一个翻转电压，如果输入电压在门限电压附近受到干扰有微小变化时，就会导致比较器输出状态的改变，发生错误的翻转。为了克服这一缺点，可将比较器的输出端与输入端之间引入由R₁和R₂构成的电压串联正反馈，使运放同相输入端的电压随输出电压而变；输入电压接运放的反相输入端，参考电压经R₂接运放的同相输入端，构成迟滞比较器，如图4-33a所示。迟滞比较器也称为施密特触发器。(www.xing528.com)

图4-33 迟滞比较器

当输入电压很小且比较器输出为高电平时，即U_OH=U_Z，利用叠加定理可求得同相输入端的电压为

由于U_p不变，当输入电压增大至u_i＞U_p时，比较器输出端由高电平变为低电平，即U_OL=-U_Z，此时同相输入端的电压变为

可见U′_p＜U_p，所以当输入电压继续增大时，比较器输出将维持低电平。只有当输入电压由大变小至u_i＜U′_p时，比较器输出才由低电平翻转为高电平，其传输特性如图4-33b所示。由此可见迟滞比较器有两个门限电压U_p和U′_p，分别称为上门限电压和下门限电压。两个门限电压之差称为门限宽度或回差电压，其大小为

调整R₁和R₂的大小，可改变比较器的门限宽度。ΔU越大，比较器抗干扰的能力越强，但分辨率随之下降。