模擬電路教程 運算放大器比較器電路特性分析

該運算放大器比較器比較與另一模擬電壓電平一個模擬電壓電平，或一些預(yù)先設(shè)定的基準電壓，V REF，并且產(chǎn)生基于該電壓比較的輸出信號。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，并確定哪個是最大的。

? ? ? ?我們在以前的教程中已經(jīng)看到，運算放大器可以與負反饋一起使用，以控制其線性區(qū)域中的輸出信號的大小，從而執(zhí)行各種不同的功能。我們還看到，標(biāo)準運算放大器的特征在于其開環(huán)增益A O，其輸出電壓由以下表達式表示：V OUT ?= A O（V + – V-）其中V +和V-對應(yīng)于電壓分別在同相和反相端子上。

? ? ? ?另一方面，電壓比較器要么使用正反饋，要么根本不使用反饋（開環(huán)模式），以在兩個飽和狀態(tài)之間切換其輸出，因為在開環(huán)模式下，放大器的電壓增益基本上等于A VO。然后，由于該高的開環(huán)增益，比較器的輸出在施加通過某個預(yù)設(shè)閾值的變化的輸入信號時，要么完全擺到其正電源軌+ Vcc要么完全擺到其負電源軌-Vcc。

? ? ? ?開環(huán)運算放大器比較器是一個模擬電路，它在非線性區(qū)域中工作，因為兩個模擬輸入（V +和V-）的變化會導(dǎo)致它像數(shù)字雙穩(wěn)態(tài)器件那樣工作，因為觸發(fā)會使其具有兩個可能的輸出狀態(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信號，而輸出卻是數(shù)字信號。

運算放大器比較器電路特性分析教程

? ? ? ?考慮下面的基本運算放大器電壓比較器電路。

運算放大器比較器電路
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? ? ? ?參考上面的運算放大器比較器電路，首先假設(shè)V IN小于V REF處的直流電壓電平（ ?V IN ?

? ? ? ?如果現(xiàn)在我們增加輸入電壓V IN，使其值大于反相輸入上的參考電壓V REF，則輸出電壓會迅速將HIGH切換為正電源電壓+ Vcc，從而導(dǎo)致輸出為正飽和。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將切換回其負飽和電壓，用作閾值檢測器。

? ? ? ?然后我們可以看到運算放大器電壓比較器是一種器件，其輸出取決于輸入電壓V IN相對于某些直流電壓電平的值，因為當(dāng)同相輸入端的電壓為大于反相輸入電壓，當(dāng)同相輸入小于反相輸入電壓時為LOW。無論輸入信號是連接到比較器的反相輸入還是同相輸入，此條件均成立。

? ? ? ?我們還可以看到，輸出電壓的值完全取決于運算放大器的電源電壓。理論上，由于運算放大器具有很高的開環(huán)增益，其輸出電壓的大小在兩個方向上都可能是無限的（± ∞）。但是實際上，由于明顯的原因，它受到運放電源軌的限制，即V OUT ?= + Vcc或V OUT ?= -Vcc。

? ? ? ?我們之前曾說過，基本運算放大器比較器通過將其輸入電壓與某個預(yù)設(shè)的DC參考電壓進行比較來產(chǎn)生正電壓或負電壓輸出。通常，電阻分壓器用于設(shè)置比較器的輸入?yún)⒖茧妷?，但如圖所示，可以使用電池源，齊納二極管或用于可變參考電壓的電位計。
比較器參考電壓
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? ? ? ?理論上，比較器的參考電壓可以設(shè)置為0v至電源電壓之間的任意值，但實際電壓范圍存在實際限制，具體取決于所用器件的運算放大器比較器。

正負電壓比較器
? ? ? ?基本的運算放大器比較器電路可用于檢測正向或負向輸入電壓，具體取決于我們還將固定參考電壓源和輸入電壓連接到運算放大器的哪個輸入。在上面的示例中，我們使用了反相輸入來設(shè)置參考電壓，而輸入電壓則連接到同相輸入。

? ? ? ?但是同樣地，我們可以用另一種方式將比較器的輸入連接起來，以將輸出信號反相為上述所示的信號。然后，可以將運算放大器比較器配置為以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（也稱為同相比較器電路）檢測輸入信號V IN高于或高于參考電壓的正電壓V REF何時在V OUT產(chǎn)生輸出，如圖所示。
同相比較器電路
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? ? ? ?在這種同相配置中，參考電壓連接到運算放大器的反相輸入，輸入信號連接到同相輸入。為了簡單起見，我們假定兩個電阻器形成分壓器網(wǎng)絡(luò)是相等的，并且：R1 = R2 = R。這將產(chǎn)生一個固定的參考電壓，該參考電壓是電源電壓的一半，即Vcc / 2，而輸入電壓可在零到電源電壓之間變化。

? ? ? ?當(dāng)V IN大于V REF時，運算放大器比較器的輸出將朝著正電源軌Vcc飽和。當(dāng)V IN小于V REF時，運算放大器比較器的輸出將改變狀態(tài)，并在負電源軌0v處飽和，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）可檢測輸入信號V IN低于或低于參考電壓的負值，V REF如圖所示在V OUT產(chǎn)生高輸出。
反相比較器電路
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? ? ? ?在與上面的正配置相反的反相配置中，參考電壓連接到運算放大器的同相輸入，而輸入信號連接到反相輸入。然后，當(dāng)V IN小于V REF時，運算放大器比較器的輸出將向正電源軌Vcc飽和。

? ? ? ?同樣，當(dāng)V IN大于V REF時，情況也是如此，運算放大器比較器的輸出將改變狀態(tài)并向負電源軌0v飽和。

? ? ? ?然后，根據(jù)我們用于信號和參考電壓的運算放大器輸入，我們可以產(chǎn)生一個反相或同相輸出。通過組合上面的兩個運算放大器比較器電路以產(chǎn)生一個窗口比較器電路，我們可以進一步一步一步地檢測到負信號或正信號。

窗口比較器
? ? ? ?甲窗口比較器是基本上反相和以上組合成單個比較器級的非反相比較器。窗口比較器檢測在特定電壓帶或電壓窗口內(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(yù)設(shè)或固定電壓參考點。

? ? ? ?這次，窗口比較器將不再具有僅一個參考電壓值，而是將具有由一對電壓比較器實現(xiàn)的兩個參考電壓。一種在檢測到某個較高電壓閾值V REF（UPPER）時觸發(fā)運算放大器比較器，另一種在檢測到較低電壓閾值V REF（LOWER）時觸發(fā)運算放大器比較器。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。

? ? ? ?使用上面關(guān)于分壓器網(wǎng)絡(luò)的想法，如果現(xiàn)在使用三個等值電阻器，使得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。同樣，當(dāng)電阻值全部相等時，每個電阻上的壓降也將等于電源電壓1 / 3Vcc的三分之一。因此，為簡便起見，在這個簡單的窗口比較器示例中，我們可以將較高的參考電壓設(shè)置為2 / 3Vcc，而將較低的參考電壓設(shè)置為1 / 3Vcc。
? ? ? ?考慮下面的窗口比較器電路。
窗口比較器電路
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? ? ? ?電路的初始開關(guān)條件是運算放大器A 1的集電極開路輸出為“ OFF”，運算放大器A 2的集電極開路輸出為“ ON”（吸收電流），因此V OUT等于0V。

? ? ? ?當(dāng)V IN低于較低電壓電平時，V REF（LOWER）等于1 / 3Vcc，V OUT將為低電平。當(dāng)V IN超過此1 / 3Vcc的較低電壓電平時，第一個運算放大器比較器檢測到此情況，并將其集電極開路輸出切換為HIGH。這意味著兩個運放同時具有高電平輸出。沒有電流流過上拉電阻R L，因此V OUT等于Vcc。

? ? ? ?如V IN繼續(xù)增加它通過上部電壓電平，V REF（UPPER）在2 / 3Vcc時。此時，第二個運算放大器比較器檢測到此情況，并將其輸出切換為LOW，并且V OUT等于0V。
然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之間的差（在本示例中為2 / 3Vccc – 1 / 3Vcc）創(chuàng)建了正向信號的切換窗口。

? ? ? ?現(xiàn)在讓我們假設(shè)V IN為最大值，并且等于Vcc。當(dāng)V IN減小時，它通過第二個運算放大器比較器的較高電壓電平V REF（UPPER），后者將輸出切換為高電平。隨著V IN繼續(xù)降低，它通過了較低的電壓電平，第一個運算放大器比較器的V REF（LOWER）再次將輸出切換為LOW。

? ? ? ?然后，V REF（UPPER）和V REF（LOWER）之間的差為負向信號創(chuàng)建窗口。因此，我們可以看到，當(dāng)V IN超過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。

? ? ? ?在這個簡單的示例中，我們將上限跳閘電平設(shè)置為2 / 3Vcc，將下限跳閘電平設(shè)置為1 / 3Vcc（因為我們使用了三個相等值的電阻器），但是可以通過調(diào)整輸入閾值來選擇任意值。結(jié)果，可以針對給定的應(yīng)用定制窗口寬度。

? ? ? ?如果我們使用雙電源，并且將上下跳閘電平設(shè)置為±10伏，并且V IN是正弦波形，那么我們可以將該窗口比較器電路用作正弦波的過零檢測器，這將產(chǎn)生輸出，正弦波每次從正到負或從負到正穿過零伏線時為高或低。

? ? ? ?我們可以通過以下方法進一步檢測電壓電平：將多個不同的運算放大器比較器通過一個公共輸入信號連接在一起，但每個比較器使用一個由我們現(xiàn)在熟悉的電源分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的不同基準電壓?？紤]下面的電壓電平檢測器電路。
比較器電壓電平檢測器
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? ? ? ?如上所述，分壓器網(wǎng)絡(luò)為各個運算放大器比較器電路提供了一組參考電壓。為了產(chǎn)生四個參考電壓，將需要五個電阻。底部一對電阻器的結(jié)點將產(chǎn)生參考電壓，該電壓是使用等值電阻器的電源電壓的1 / 5Vcc的五分之一。第二對是2 / 5Vcc，第三對是3 / 5Vcc，依此類推，這些參考電壓朝著5 / 5Vcc（實際上是Vcc）增加了五分之一（1/5）的固定量。

? ? ? ?隨著公共輸入電壓的增加，每個運算放大器比較器電路的輸出依次切換，從而從較低的比較器A 4開始斷開連接的LED，并隨著輸入電壓的增加而朝A 1向上發(fā)光。因此，通過設(shè)置分壓器網(wǎng)絡(luò)中電阻的值，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通過反轉(zhuǎn)LED并將它們連接到0V（接地）而不是V CC來進行電池狀態(tài)監(jiān)測。

? ? ? ?同樣，通過增加集合中運算放大器比較器的數(shù)量，可以創(chuàng)建更多的觸發(fā)點。因此，例如，如果我們在鏈中有八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行數(shù)字編碼器，我們可以制造一個非常簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），會將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼（0至7）。

具有正反饋的運算放大器比較器
? ? ? ?我們在這里已經(jīng)看到，運算放大器可以配置為在開環(huán)模式下作為比較器工作，如果輸入信號變化迅速或噪聲不太大，這很好。但是，如果輸入信號V IN變化緩慢或存在電氣噪聲，則運算放大器比較器可能會在輸入信號徘徊在+ Vcc和-Vcc兩個飽和狀態(tài)之間來回切換其輸出。參考電壓，V REF電平?？朔藛栴}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，正反饋是一種通過兩個電阻設(shè)置的分壓器將同相輸出信號的一部分或一部分反饋到運算放大器的同相輸入的技術(shù)。與他們的比例成正比。

? ? ? ?在運算放大器比較器周圍使用正反饋意味著一旦將輸出觸發(fā)為任一電平的飽和，在輸出切換回原始飽和點之前，輸入信號V IN必須發(fā)生重大變化。兩個開關(guān)點之間的這種差異稱為滯后現(xiàn)象，通常稱為施密特觸發(fā)器電路。考慮下面的反相比較器電路。
具有遲滯的反相運算放大器比較器
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? ? ? ?對于上面的反相比較器電路，V IN被施加到運算放大器的反相輸入。電阻器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，一部分輸出電壓出現(xiàn)在同相輸入端。反饋量由所使用的兩個電阻的電阻比確定，并給出為：
分壓器方程
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? ? ? ?其中：β（beta）可用于指示反饋分數(shù)。
? ? ? ?當(dāng)輸入信號小于參考電壓V IN ?

? ? ? ?隨著輸入信號V IN的增加，其正向輸入端的上跳變點電壓V UTP電平也變得相等。這導(dǎo)致比較器輸出將狀態(tài)更改為LOW，V OL并等于負負飽和電壓。

? ? ? ?但是這次的區(qū)別是，由于在同相輸入端現(xiàn)在出現(xiàn)一個負電壓，該第二個跳變點電壓值被創(chuàng)建，該負電壓等于：-β* Vcc，這是輸出端的負飽和電壓的結(jié)果。然后，輸入信號現(xiàn)在必須降到該第二電壓電平以下，稱為下跳變點或LTP，以使電壓比較器輸出改變或切換回其原始正狀態(tài)。

? ? ? ?因此，我們可以看到，當(dāng)輸出改變狀態(tài)時，同相輸入端的參考電壓也會改變，從而產(chǎn)生兩個不同的參考電壓值和兩個不同的開關(guān)點。一個點稱為上跳閘點（UTP），另一點稱為下跳閘點（LTP）。這兩個跳變點之間的差異稱為磁滯。

? ? ? ?磁滯量由反饋到同相輸入的輸出電壓的反饋分數(shù)β決定。正反饋的優(yōu)勢在于，所得的比較器施密特觸發(fā)器電路不受噪聲或遲滯帶內(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的輸出僅觸發(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。那么我們可以說，電壓滯后的量為：
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? ? ? ?我們還可以通過改變輸入和參考端子來產(chǎn)生具有內(nèi)置磁滯的同相運算放大器比較器電路，如下所示：
具滯回功能的同相運算放大器比較器
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請注意，磁滯曲線上的箭頭表示上下跳變點處的切換方向。
比較器示例1
? ? ? ?運算放大器將與正反饋一起使用，以產(chǎn)生施密特觸發(fā)器電路。如果電阻R 1 ?=10kΩ，電阻R 2 ?=90kΩ，則將運放連接到±10v雙電源時，參考電壓的上下開關(guān)點的值以及磁滯的寬度將是多少？供應(yīng)。
? ? ? ?給定：R 1 ?=10kΩ，R 2 ?=90kΩ。電源+ Vcc = 10v和-Vcc = 10v。
? ? ? ?反饋分數(shù)：
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高電壓跳變點，V UTP
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較低的電壓跳變點，V LTP
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磁滯寬度：
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? ? ? ?然后，當(dāng)輸出從一個電平飽和到另一個電平時，參考電壓V REF在+ 1V和-1V之間切換。希望我們能從這個簡單的例子中看到，只需調(diào)節(jié)反饋電阻R 1和R 2的分壓比，就可以使該滯后的寬度（共2伏）變大或變小。

電壓比較器
? ? ? ?盡管我們可以將諸如741的運算放大器用作基本的比較器電路，但問題是運算放大器僅針對線性操作進行了優(yōu)化。這就是輸入端子實際上處于相同電壓電平的地方，其輸出級被設(shè)計為產(chǎn)生線性輸出電壓，該線性輸出電壓不會長時間保持飽和。此外，標(biāo)準運算放大器還設(shè)計用于閉環(huán)應(yīng)用，從其輸出到其反相輸入具有負反饋。

? ? ? ?另一方面，專用電壓比較器是一種非線性設(shè)備，當(dāng)輸入信號相差相對較小時，由于其很高的增益，它可以實現(xiàn)很高的飽和度。運算放大器比較器和電壓比較器之間的差異在于輸出級，因為標(biāo)準運算放大器的輸出級針對線性操作進行了優(yōu)化，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?？偸且拷粋€供電軌或另一個供電軌，而不能位于兩者之間。

? ? ? ?商用比較器，例如LM311單比較器，LM339四通道比較器或LM393雙差分比較器，都是電壓比較器，采用標(biāo)準IC封裝，由單電源或雙電源供電。這些專用電壓比較器的設(shè)計目的僅是為了從一個飽和狀態(tài)非?？斓厍袚Q輸出，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。

? ? ? ?由于電壓比較器將線性輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，因此它們通常用于連接兩個具有不同電源或參考電壓的不同電信號。結(jié)果，電壓比較器的輸出級通常被配置為具有打開或關(guān)閉狀態(tài)而不是如圖所示的實際輸出電壓的單個開集電極（或漏極）晶體管開關(guān)。
電壓比較器電路
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? ? ? ?此處，電壓比較器的集電極開路輸出通過單個上拉電阻器（和用于指示的LED）連接到電壓源，該電阻將單個輸出拉高至電源。當(dāng)輸出開關(guān)為HIGH時，它將創(chuàng)建一個高阻抗路徑，因此當(dāng)V OUT ?= Vcc時，沒有電流流過。

? ? ? ?當(dāng)比較器改變狀態(tài)并且輸出開關(guān)為LOW時，它會形成一條接地的低阻抗路徑，并且電流流過上拉電阻器（和LED），從而在其兩端產(chǎn)生電壓降，同時輸出被拉至較低的電源電平，在這種情況下接地。

? ? ? ?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)部電路之間的差異很小。主要區(qū)別在于集電極或漏極開路配置的輸出級可用于驅(qū)動繼電器，燈等。通過從輸出驅(qū)動晶體管，可以提供比單獨比較器輸出更大的開關(guān)電流容量。

運算放大器比較器摘要
? ? ? ?在關(guān)于運放比較器的本教程中，我們看到比較器電路基本上是一個沒有反饋的運算放大器，也就是說，運放用于其開環(huán)配置，并且當(dāng)輸入電壓V IN超過預(yù)設(shè)參考電壓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，因此將其用于正反饋甚至根本沒有反饋會導(dǎo)致輸出飽和到其電源軌，從而根據(jù)兩個放大器的相對值產(chǎn)生兩個不同的輸出電壓之一輸入。這種雙穩(wěn)態(tài)行為是非線性的，并構(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（例如單個LM311，雙LM393或四LM339）被設(shè)計為在其飽和區(qū)工作，從而使這些電壓比較器電路可以廣泛用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用以及各種類型的電壓電平檢測電路。

? ? ? ?通過在比較器的輸出和輸入之間添加正反饋，可以輕松克服開環(huán)比較器的不穩(wěn)定開關(guān)行為。通過正反饋，該電路具有磁滯現(xiàn)象，輸出切換發(fā)生在兩個不同的開關(guān)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來產(chǎn)生一個二態(tài)輸出，該輸出通過使用兩個參考電壓來指示輸入電壓是否在特定范圍內(nèi)或值的窗口內(nèi)。上參考電壓和下參考電壓。

? ? ? ?盡管運算放大器和比較器看起來很相似，但它們卻有很大不同，并且設(shè)計為在不同的應(yīng)用中使用，因為運算放大器可以用作比較器，而電壓比較器則不能用作運算放大器。線性輸出級。

? ? ? ?從以前的教程中我們知道，運算放大器是具有差分模擬輸入和模擬輸出的模擬設(shè)備，如果以開環(huán)配置進行操作，其輸出將充當(dāng)比較器輸出。但是專用電壓比較器（LM311，LM393，LM339）已廣泛使用，其性能將比標(biāo)準運算放大器比較器好得多。