比較器是一個電子決策電路，它在開環(huán)狀態(tài)下使用運算放大器非常高的增益，也就是說，沒有反饋電阻。

運算放大器比較器將一個模擬電壓電平與另一個模擬電壓電平或某個預設(shè)參考電壓V REF 進行比較，并根據(jù)該電壓比較產(chǎn)生輸出信號。換句話說，運算放大器電壓比較器比較兩個電壓輸入的幅度，并確定哪個是兩者中最大的。

我們在之前的教程中已經(jīng)看到運算放大器可以用于負反饋控制其執(zhí)行各種不同功能的線性區(qū)域中的輸出信號的幅度。我們還看到標準運算放大器的特點是開環(huán)增益 A O ，其輸出電壓由下式給出： V OUT = A O （V + -V - ）其中 V + 和 V - 對應于電壓另一方面，非反相和反相端子。

電壓比較器，要么使用正反饋，要么根本沒有反饋（開環(huán)模式）來切換輸出因為在開環(huán)模式下，放大器電壓增益基本上等于 A VO 。然后由于這種高開環(huán)增益，比較器的輸出完全擺動到其正電源軌， + Vcc 或完全擺動到其負電源軌， -Vcc on通過一些預設(shè)閾值的變化輸入信號的應用。

開環(huán)運算放大器比較器是一個模擬電路，在兩個模擬輸入的變化中，在非線性區(qū)域運行， V + 和 V - 使其行為類似于數(shù)字雙穩(wěn)態(tài)設(shè)備，因為觸發(fā)使其具有兩種可能的輸出狀態(tài)， + Vcc 或 -Vcc 。然后我們可以說電壓比較器本質(zhì)上是一個1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因為輸入信號是模擬的，但輸出表現(xiàn)為數(shù)字。

考慮基本的運算放大器電壓比較器以下電路。

運算放大器比較器電路

參考在上面的運算放大器比較器電路中，首先假設(shè) V IN 小于 V REF 時的直流電壓電平，（ V IN REF ）。由于比較器的非反相（正）輸入小于反相（負）輸入，輸出將為低電平且負電源電壓 -Vcc 導致負飽和。輸出。

如果我們現(xiàn)在增加輸入電壓， V IN ，使其值大于參考電壓 V REF 在反相輸入上，輸出電壓快速向正電源電壓 + Vcc 切換為高電平，從而導致輸出正飽和。如果我們再次降低輸入電壓 V IN ，使其略小于參考電壓，則運算放大器的輸出切換回其負飽和電壓，作為閾值檢測器。

然后我們可以看到運算放大器電壓比較器是一個輸出取決于輸入電壓值的器件， V IN

我們還可以看到輸出電壓的值完全取決于op-安培電源電壓。理論上，由于運算放大器的開環(huán)增益很高，其輸出電壓的幅度在兩個方向上都是無限的（±＆amp;＃8734 ）。然而實際上，由于顯而易見的原因，它受到運算放大器電源軌的限制，給出 V OUT = + Vcc 或 V OUT = -Vcc

我們之前說過，基本運算放大器比較器通過將輸入電壓與某個預設(shè)的直流參考電壓進行比較，產(chǎn)生正或負電壓輸出。通常，電阻分壓器用于設(shè)置比較器的輸入?yún)⒖茧妷海梢允褂秒姵仉娫矗?a target="_blank">齊納二極管或可變參考電壓的電位計，如圖所示。

比較器參考電壓

理論上，比較器參考電壓可以設(shè)置在0v和電源電壓之間的任何地方，但實際電壓范圍存在實際限制，具體取決于所使用器件的運算放大器比較器。 / p>

正負電壓比較器

基本運算放大器比較器電路可用于檢測正輸入電壓或負輸入電壓，具體取決于我們連接的運算放大器的輸入端固定參考電壓源和輸入電壓。在上面的例子中，我們使用反相輸入設(shè)置參考電壓，輸入電壓連接到同相輸入。

但同樣我們可以連接比較器的輸入，反過來反轉(zhuǎn)輸出信號如上所示。然后，運算放大器比較器可配置為以所謂的反相或同相配置工作。

正電壓比較器

正電壓比較器的基本配置，也稱為非反相比較器電路，檢測輸入信號 V IN 何時大于或大于參考電壓， V REF 在 V OUT 處產(chǎn)生輸出，如圖所示為高電平。

同相比較器電路

在此非反相配置中，參考電壓連接到運算放大器的反相輸入端，輸入信號連接到非反相輸入。為簡單起見，我們假設(shè)形成分壓器網(wǎng)絡(luò)的兩個電阻相等，并且： R1 = R2 = R 。這將產(chǎn)生一個固定的參考電壓，它是電源電壓的一半，即 Vcc / 2 ，而輸入電壓可以從零變化到電源電壓。

當 V IN 大于 V REF 時，運算放大器比較器輸出將向正電源軌飽和， Vcc 。當 V IN 小于 V REF 時，運算放大器比較器輸出將改變狀態(tài)并在負值處飽和電源軌， 0v ，如圖所示。

負電壓比較器

負電壓比較器的基本配置，也稱為反相比較器電路，檢測何時輸入信號， V IN 低于或低于參考電壓 V REF ，產(chǎn)生輸出 V OUT ，如圖所示為高電平。

反相比較器電路

在反相配置中，與上面的正配置相反，參考電壓連接到運算放大器的非反相輸入，同時輸入信號連接到反相輸入。然后，當 V IN 小于 V REF 時，運算放大器比較器輸出將向正電源軌飽和， Vcc 。

同樣反之亦然，當 V IN 大于 V 時REF ，運算放大器比較器輸出將改變狀態(tài)并向負電源軌飽和， 0v 。

然后取決于哪個運算放大器我們用于信號和參考電壓的輸入，我們可以產(chǎn)生反相或非反相輸出。我們可以通過組合上面的兩個運算放大器比較器電路來進一步檢測負信號或正信號，以產(chǎn)生窗口比較器電路。

窗口比較器

窗口比較器基本上是上面的反相和非反相比較器組合成單個比較器級。窗口比較器檢測在特定頻帶或窗口電壓內(nèi)的輸入電壓電平，而不是指示電壓是大于還是小于某個預設(shè)或固定電壓參考點。

此時，窗口比較器不是僅具有一個參考電壓值，而是具有由一對電壓比較器實現(xiàn)的兩個參考電壓。一個觸發(fā)運算放大器比較器，檢測到某個高電壓閾值， V REF（UPPER） ，并且在檢測到較低電壓時觸發(fā)運算放大器比較器閾值水平， V REF（LOWER） 。然后，這兩個上下參考電壓之間的電壓電平稱為“窗口”，因此得名。

使用我們上面的分壓器網(wǎng)絡(luò)的想法，如果我們現(xiàn)在使用三個等值電阻器，那么 R1 = R2 = R3 = R 我們可以創(chuàng)建一個非常簡單的窗口比較器電路，如圖所示。此外，當電阻值全部相等時，每個電阻上的電壓降也將等于電源電壓的三分之一， 1 / 3Vcc 。然后在這個簡單的例子中，我們可以將上參考電壓設(shè)置為 2 / 3Vcc ，將下參考電壓設(shè)置為 1 / 3Vcc 。考慮下面的窗口比較器電路。

窗口比較器電路

當時V IN 低于較低的電壓電平， V REF（LOWER） ，相當于 1 / 3Vcc ，輸出為LOW。當 V IN 超過此 1 / 3Vcc 更低的電壓電平時，第一個運算放大器比較器會檢測到此情況，并將輸出高電平切換為 Vcc 。

當 V IN 繼續(xù)增加時，它會通過高電壓電平， V REF（UPPER） 在 2 / 3Vcc 處，第二個運算放大器比較器檢測到此情況并將輸出切換回LOW。然后 V REF（UPPER） 和 V REF（LOWER） 之間的差異（即2 / 3Vccc - 此示例中為1 / 3Vcc）為正向信號創(chuàng)建切換窗口。

現(xiàn)在假設(shè) V IN 處于其最大值并且等于 Vcc 。當 V IN 減小時，它會通過第二個運算放大器比較器的高電壓電平 V REF（UPPER） 它將輸出切換為高電平。當 V IN 繼續(xù)減小時，它會通過第一個操作的較低電壓電平 V REF（LOWER） -amp比較器再次將輸出切換為低電平。

然后 V REF（UPPER） 和 V REF之間的差值（ LOWER） 為負向信號創(chuàng)建窗口。因此我們可以看到，當 V IN 超過或低于兩個運算放大器比較器設(shè)置的上下參考電平時，輸出信號 V OUT 將為HIGH或LOW。

在這個簡單的例子中，我們將上行程水平設(shè)置為2 / 3Vcc，將較低行程水平設(shè)置為1 / 3Vcc（因為我們使用了三個相等值的電阻器），但可以通過調(diào)整輸入閾值來選擇任何值。因此，窗口寬度可以根據(jù)給定的應用進行定制。

如果我們使用雙電源并將上下行程水平設(shè)置為±10伏并且 V IN 是一個正弦波形，然后我們可以使用這個窗口比較器電路作為正弦波的過零檢測器，每當正弦波超過零伏線時就會產(chǎn)生高或低輸出從正到負或從負到正。

我們可以通過將多個不同的運算放大器比較器與它們一起使用公共輸入信號進一步檢測電壓電平，但每個比較器都可以使用我們現(xiàn)在熟悉的電源分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的不同參考電壓。考慮下面的電壓電平檢測電路。

比較器電壓電平檢測器

如上，分壓器網(wǎng)絡(luò)為各個運算放大器比較器電路提供一組參考電壓。要產(chǎn)生四個參考電壓，需要五個電阻。底部電阻對的結(jié)點將產(chǎn)生一個參考電壓，該參考電壓是電源電壓的五分之一， 1 / 5Vcc 使用等值電阻。第二對 2 / 5Vcc ，第三對 3 / 5Vcc ，依此類推，這些參考電壓增加固定量的五分之一（ 1 / 5 ）朝向 5 / 5Vcc ，實際上是 Vcc 。

隨著公共輸入電壓的增加，每個運算放大器的輸出比較器電路依次從下部比較器開始， A 4 并向上朝 A 1 作為輸入電壓增加。因此，通過設(shè)置分壓器網(wǎng)絡(luò)中的電阻值，可以將比較器配置為檢測任何電壓電平。使用電壓電平檢測和指示的一個很好的例子是電池狀態(tài)監(jiān)視器。

此外，通過增加集合中運算放大器比較器的數(shù)量，可以創(chuàng)建更多觸發(fā)點。因此，例如，如果我們在鏈中有8個運算放大器比較器并將每個比較器的輸出饋送到8到3線數(shù)字編碼器，我們就可以制作一個非常簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為3位二進制碼（0到7）。

具有正反饋的運算放大器

我們在這里看到運算放大器可以被配置為在開環(huán)模式下作為比較器工作，如果輸入信號快速變化或者噪聲太大，這是很好的。但是，如果輸入信號 V IN 變化緩慢或存在電噪聲，則運算放大器比較器可能會振蕩，在兩次飽和之間來回切換其輸出狀態(tài)， + Vcc 和 -Vcc ，因為輸入信號在參考電壓 V REF 級別附近徘徊。克服這個問題并避免運算放大器振蕩的一種方法是在比較器周圍提供正反饋。

顧名思義，正反饋是一種喂食技術(shù)通過由兩個電阻器設(shè)置的分壓器將輸出信號的一部分或一部分反饋到運算放大器的非反相輸入端，反饋量與它們的比率成比例。

在運算放大器比較器周圍使用正反饋意味著一旦輸出在任一電平觸發(fā)飽和，輸入信號必須有顯著變化 V IN 輸出切換回原始飽和點之前。兩個開關(guān)點之間的這種差異稱為滯后，產(chǎn)生通常稱為施密特觸發(fā)器電路的東西。考慮下面的反相比較器電路。

具有滯后的運算放大器反相器

對于上面的反相比較器電路， V IN 應用于運算放大器的反相輸入。電阻 R 1 和 R 2 在比較器兩端形成一個分壓器網(wǎng)絡(luò)，提供正反饋，部分為輸出電壓出現(xiàn)在非反相輸入端。反饋量由所使用的兩個電阻的電阻比確定，其給出如下：

分壓器方程

其中：β（beta）可用于指示反饋分數(shù)。

當輸入信號小于參考電壓時， V IN REF ，輸出電壓為高電平， V OH 且等于正飽和電壓。當輸出為高電平且為正時，同相輸入上的參考電壓值約等于： +β* Vcc 稱為上跳閘點或UTP。

當輸入信號 V IN 增加時，它的上跳變點電壓也變得相等， V UTP 非反相輸入的電平。這導致比較器輸出改變狀態(tài)變?yōu)榈碗娖剑?V OL 并且等于負飽和電壓。

但這次的差異是由于輸出端的負飽和電壓導致現(xiàn)在出現(xiàn)在非反相輸入端的負電壓等于：-β* Vcc ，因此產(chǎn)生第二跳變點電壓值。然后輸入信號現(xiàn)在必須低于第二個電壓電平，稱為低跳閘點或LTP，電壓比較器輸出改變或切換回其原始的正狀態(tài)。

所以我們可以看到當輸出改變狀態(tài)時，非反相輸入端的參考電壓也改變，產(chǎn)生兩個不同的參考電壓值和兩個不同的切換點。一個稱為Lower Upper Trip Point （UTP），另一個稱為 Lower Trip Point （LTP）。這兩個跳變點之間的差異稱為滯后。

遲滯量由反饋輸出電壓的反饋分數(shù)β確定到非反相輸入。正反饋的優(yōu)勢在于，由此產(chǎn)生的比較器施密特觸發(fā)器電路不受由噪聲或滯后帶內(nèi)緩慢變化的輸入信號引起的不穩(wěn)定觸發(fā)的影響，從而產(chǎn)生更清晰的輸出信號，因為運算放大器比較器輸出僅觸發(fā)一次。

因此，對于正輸出電壓， V REF = +β* Vcc ，但對于負輸出電壓， V REF =-β* Vcc的 。然后我們可以說電壓滯后量將給出如下：

我們還可以通過改變輸入和參考端子來產(chǎn)生具有內(nèi)置遲滯的同相運算放大器比較器電路顯示：

帶滯后的同相運算放大器

注意遲滯圖上的箭頭表示上下跳變點的切換方向。

比較器示例No1

運算放大器與正反饋一起用于產(chǎn)生施密特觸發(fā)器電路。如果電阻 R 1 =10kΩ且電阻器 R 2 =90kΩ，那么它的值是多少？如果運算放大器連接到雙±10v 電源，則參考電壓的上下切換點和滯后寬度。

給定： R 1 =10kΩ， R 2 =90kΩ。電源 + Vcc = 10v 和 -Vcc = 10v 。

反饋分數(shù)：

高電壓跳變點， V UTP

低電壓跳變點， V LTP

滯后寬度：

然后參考電壓 V REF ，在 + 1V 和 -1V 之間切換，因為輸出飽和一層到另一層。希望我們從這個簡單的例子中可以看出，通過調(diào)整反饋電阻 R 1 <的分壓比，可以使該滯后的寬度（總共2伏）變大或變小/ span>和 R 2 。

電壓比較器

雖然我們可以使用741等運算放大器作為基本比較器電路，問題在于運算放大器僅針對線性操作進行了優(yōu)化。這是輸入端子實際上處于相同電壓電平的位置，其輸出級設(shè)計為產(chǎn)生長時間不飽和的線性輸出電壓。此外，標準運算放大器設(shè)計用于閉環(huán)應用，從其輸出到反相輸入具有負反饋。

另一方面，專用電壓比較器是一種允許重載的非線性器件飽和度，由于其非常高的增益，當輸入信號相差較小時。運算放大器比較器和電壓比較器之間的區(qū)別在于輸出級，因為標準運算放大器具有針對線性操作優(yōu)化的輸出級，而電壓比較器的輸出級針對連續(xù)飽和操作進行了優(yōu)化，因為它

LM311單比較器，LM339四比較器或LM393雙差分比較器等商用比較器是電壓比較器，它們總是靠近一個供電軌或者不在兩個供電軌之間。

商用比較器，如LM311單比較器，LM339四比較器或LM393雙差分比較器，都是電壓比較器。采用單電源或雙電源供電的標準IC封裝。這些專用電壓比較器的設(shè)計目的是將輸出從一個飽和狀態(tài)快速切換到另一個飽和狀態(tài)，因為用于電壓比較器輸出級的晶體管通常是開關(guān)晶體管。

由于電壓比較器轉(zhuǎn)換為線性將信號輸入到數(shù)字輸出信號中，它們通常用于連接具有不同電源或參考電壓的兩個不同電信號。因此，電壓比較器的輸出級通常配置為單開集電極（或漏極）晶體管開關(guān)，具有開路或閉合狀態(tài)，而不是如圖所示的實際輸出電壓。

電壓比較器電路

這里，電壓比較器的開路集電極輸出通過一個上拉電阻連接到電壓源（以及用于指示的LED，將單個輸出拉高至電源。當輸出開關(guān)為高電平時，它會產(chǎn)生高阻抗路徑，因此沒有電流流過 V OUT = Vcc 。

當比較器改變狀態(tài)且輸出開關(guān)為低電平時，它會產(chǎn)生一個低阻抗接地路徑，電流流過上拉電阻（和LED），導致電壓降過自身，輸出被拉低在這種情況下，電源電壓接地。

然后我們可以看到運算放大器比較器的原理圖符號與電壓比較器或其內(nèi)部電路之間的差別很小。主要區(qū)別在于輸出級，開路集電極或漏極配置對于驅(qū)動繼電器，燈等非常有用。通過從輸出驅(qū)動晶體管，可以獲得比單獨輸出比較器更大的開關(guān)電流容量。

運算放大器比較器摘要

在本教程中關(guān)于運算放大器比較器我們已經(jīng)看到比較器電路基本上是一個沒有反饋的運算放大器，即運算放大器用于其開環(huán)配置，當輸入電壓 V IN 超過預設(shè)參考電壓時， V REF ，輸出改變狀態(tài)。

由于運算放大器的開環(huán)增益非常高，使用正反饋或甚至沒有反饋都會導致輸出飽和到其供電軌，產(chǎn)生兩個不同輸出電壓中的一個，取決于其兩個輸入的相對值。這種雙穩(wěn)態(tài)行為是非線性的，構(gòu)成了運算放大器比較器和施密特觸發(fā)器電路的基礎(chǔ)。

專用比較器的輸出級，如單個LM311，雙LM393或四個LM339設(shè)計在飽和區(qū)工作，允許這些電壓比較器電路廣泛用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用和各種類型的電壓電平檢測電路。

開環(huán)比較器的不穩(wěn)定開關(guān)特性可以通過在比較器的輸出和輸入之間添加正反饋來輕松克服。通過正反饋，電路具有遲滯，輸出切換發(fā)生在兩個不同的切換點UTP和LTP之間。

運算放大器窗口比較器是一種電壓比較器電路，它使用兩個運算放大器比較器產(chǎn)生雙態(tài)輸出，通過使用兩個參考來指示輸入電壓是否在特定范圍或值窗口內(nèi)電壓。上部參考電壓和下部參考電壓。

雖然運算放大器和比較器看起來很相似，但它們非常不同，并且設(shè)計用于不同的應用，因為運算放大器可用作比較器，由于其非線性輸出級，電壓比較器不能用作運算放大器。

我們從之前的教程中了解到，運算放大器是一個帶有差分模擬輸入和模擬輸出的模擬器件如果在其開環(huán)配置下運行，其輸出就像一個比較器輸出。但是專用電壓比較器（LM311，LM393，LM339）可以廣泛使用，其性能遠遠優(yōu)于標準的運算放大器比較器。