4种常用电压比较器的特性分析

知识点：单限比较器

电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。

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过零比较器

电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。

参考电压为零的比较器称为零电平比较器，也加过零比价器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图1(a)、(b)所示。

图1 过零比较器

(a)反相输入

(b)同相输入

通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。

阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。

传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。

画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器的具体电路，分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)和输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下，输出电压的变化规律，然后画出传输特性。

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俘零比较器

将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设为直流电压)，由于UR的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。

图2 任意电平比较器及传输特性

(a)任意电平比较器

(b)传输特性

图3 电平检测比较器信传输特性

(a)电平检测比较器

(b)传输特性

电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较器。

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滞回电压比较器

滞回比较器又称施密特触发器、迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。

UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。

以图4(a)所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性

图4 滞回比较器及其传输特性

(a)反相输入

(b)同相输入

? 正向过程

正向过程的阈值为：

形成电压传输特性的abcd段。

? 负向过程

负向过程的阈值为：

形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。

利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图4(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值：

两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。

由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

图5 比较器的波形变换

(a)输入波形

(b)输出波形

例如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图6(a)、(b)所示。根据传输特性和两个阈值(UTH1＝2V, UTH2=–2V)，可画出输出电压uo的波形，如图6(c)所示。从图(c)可见，ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。

图6 说明滞回比较器抗干扰能力强的图

(a)已知传输特性

(b)已知ui波形

(c)根据传输特性和ui波形画出的uo波形

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窗口电压比较器

电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即ui单方向变化(正向过程或负向过程)时，uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。

双限比较器又称窗口比较器。它的特点是输入信号单方向变化(例如ui 从足够低单调升高到足够高)，可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图7(b)所示，它形似窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断ui 是否在某两个电平之间。

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