適用于簡單直流電壓應(yīng)用的比較器電路

本文將詳細介紹運算放大器的影響，它用作具有不同實際電路要求的比較器。

適用于簡單直流電壓應(yīng)用的比較器電路

低壓指示器電路 - 示例：

考慮使用單個鉛酸電池運行的家用 UPS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要一個低電壓指示器來警告客戶電池當前的低電壓狀態(tài)。鉛酸電池在開路條件下的電壓等級為 11.7V 至 13.5V。因此，當電池電壓低于 12V 時，應(yīng)打開低電流蜂鳴器和警告 LED，并留有余量。選定的 LED 和蜂鳴器電壓假定為 3V，工作電流假定為 3mA。低壓指示器電路可以使用比較器來實現(xiàn)，如圖 1 所示。

圖 1：使用比較器/運算放大器的低壓指示器電路

使用齊納二極管將恒定的 3.3V 基準電壓施加到同相比較器引腳。R_Zener 是根據(jù)齊納電流值選擇的。根據(jù) 1N4728A 數(shù)據(jù)表，該電路中的齊納電流等于其 76mA 的測試電流。

圖 2：Vishay 1N4728A 齊納二極管規(guī)格

110.5Ω 值不是標準電阻值。因此，R_Zener 選擇 100Ω。

連接到比較器反相引腳的分壓器提供電池電壓詳細信息，每當反相引腳電壓低于 3.3V 時，LED 和蜂鳴器將由比較器內(nèi)部的晶體管激活。

比較器輸出配置：

在為任何應(yīng)用選擇比較器 IC時，要考慮的重要參數(shù)是比較器的輸出配置。比較器具有兩種類型的輸出配置，如圖 3 所示，并且必須根據(jù)比較器輸出配置的類型仔細配置比較器的輸出負載。

圖 3：比較器輸出配置

對于基于集電極開路輸出的配置，上拉電阻應(yīng)放置在比較器的輸出引腳和源之間，它為輸出負載供電。它可以是比較器 Vcc 電源或其他電源。在推挽配置中，最大比較器輸出電壓將幾乎等于比較器 Vcc，并且輸出負載直接連接到比較器的輸出引腳。

不同比較器和運算放大器的輸出配置：

下圖顯示了從制造商數(shù)據(jù)表中獲得的比較器的不同輸出配置。根據(jù)數(shù)據(jù)表，LM339 具有集電極開路配置。因此，對于輸出負載，需要一個推挽電阻和電源。

圖 4：LM339 的簡化原理圖 – 集電極開路輸出

圖 5：使用 LM339 比較器的低壓指示電路

使用 LM339 集電極開路輸出配置的低壓指示電路如圖 5 所示。這里，LED 和蜂鳴器通過上拉電阻連接到比較器輸出（集電極開路）端子。

根據(jù)以下計算選擇用于控制通過蜂鳴器和 LED 的電流的上拉電阻。假設(shè) LED 和蜂鳴器電壓為 3V，工作電流為 3mA。LED和蜂鳴器與R_CONTROL電阻串聯(lián)，串聯(lián)電路中的電流相同，等于3mA。

同時，圖 6 所示的 LMV7239 比較器的輸出配置具有推挽式輸出配置。使用 LM7239，輸出負載直接連接到 LM7239 的輸出引腳。LM324 運算放大器內(nèi)部原理圖如圖 7 所示，它具有推挽輸出配置，所有運算放大器僅具有推挽輸出配置。

圖 6：LMV7239 的簡化原理圖——推挽輸出

在直接連接到推挽配置比較器/運算放大器的輸出時，應(yīng)考慮兩個重要點。

負載電壓要求應(yīng)小于或等于比較器輸出電壓。

負載電流要求應(yīng)小于比較器輸出電流規(guī)格。

圖 7：LM324 的簡化原理圖——推挽輸出

在數(shù)據(jù)表上檢查推挽輸出配置的重要參數(shù)

在使用基于推挽配置的比較器和運算放大器時，輸出電壓擺幅是定義輸出負載如何與比較器或運算放大器的輸出端連接的重要參數(shù)。

圖 8：LMV7239 輸出電壓擺幅

根據(jù)圖 8 所示的規(guī)格表，輸出比較器的最大輸出電壓在 V + - 0.25 至 V + - 0.15V 之間變化（V + = Vcc = 5V）。因此，對于 5V Vcc，高軌輸出電壓在 4.75V 和 4.85V 之間變化。低軌輸出電壓在 230mV 至 450mV 之間變化。

同樣，運放也有推挽輸出配置，LM324運放的輸出電壓擺幅如下圖所示。

圖 9：LM324 輸出電壓擺幅

根據(jù)LM324 Op-Amp數(shù)據(jù)表，最大值輸出電壓為 Vcc-1.5 = 5 – 1.5 = 3.5V。因此，對于 5V Vcc，在任何情況下，我們都不能從運算放大器輸出中獲得超過 3.5V 的電壓。在LM7239 比較器中，對于相同的 5V Vcc，我們得到的最大值為 4.85V。然而，如果我們在 LM339 比較器中搜索高電壓輸出電平，則數(shù)據(jù)將不可用，因為 LM339 的輸出電壓電平將取決于連接到輸出晶體管的電源

為了使用 LM7239 比較器和 LM324 運算放大器實現(xiàn)低電壓指示器，LED 和蜂鳴器分別需要 3V。因此，LED和蜂鳴器的串聯(lián)需要總共6V的輸出，LM7239和LM324不能同時提供。因此，LED 和蜂鳴器串聯(lián)，R_Control 電阻值可以計算如下。負載并聯(lián)，因此總電流要求為 6mA。

308.3Ω 和 83.3Ω 不是標準電阻值。因此，可以選擇 300Ω 和 82Ω 標準值。

圖 10 顯示了采用推挽配置的低電壓指示器電路的實現(xiàn)。在該電路中，輸出負載電壓要求低于比較器或運算放大器的輸出電壓電平。如果 LED 和蜂鳴器需要串聯(lián)，則必須對電路進行修改，如圖 11 所示，使用外部 MOSFET 或 Vcc，可以根據(jù)比較器或運算放大器的最大電壓電平將其增加到更高的電壓電平。

圖 10：使用 LM7239 比較器的低壓指示電路（負載電壓/電流要求小于比較器輸出電壓/電流規(guī)格）

圖 11：使用 LM7239 比較器的低壓指示電路（負載電壓/電流要求高于比較器輸出電壓/電流規(guī)格）

輸入引腳上要考慮的參數(shù)

共模電壓：

在輸入引腳上應(yīng)考慮的重要參數(shù)是反相和非反相引腳的共模電壓。在 LM324 運算放大器中，共模電壓范圍如下圖所示。LM339 也具有相同的共模電壓電平，LM7239 可接受高達 Vcc+0.1V。根據(jù)數(shù)據(jù)表，它是 Vcc-1.5 = 5-1.5 = 3.5V。因此，在任何情況下，任何引腳的輸入電壓都不應(yīng)超過共模電壓。根據(jù)上述實現(xiàn)，齊納二極管在同相端的參考電壓為 3.3V，低于 3.5V 的限值。在反相端，當電池電壓小于 12.9V 時，從分壓器得到的電壓小于 3.5V。但是，從規(guī)格上我們可以知道，電池電壓在11.7V到13.5V之間變化，超過12.9V，該設(shè)計將超過共模電壓限制并在電路操作中產(chǎn)生問題。為了緩解 LM339 和 LM324 中的這個問題，有兩種可能的方法可用。

比較器或運算放大器的 Vcc 可以增加到更高的電壓電平

同相引腳和分壓器的參考電壓可以根據(jù)共模電壓電平進行修改。（此處可以相應(yīng)地修改 2.7V 參考和分壓器值而不是 3.3V 參考）。

可以使用具有 5.1V 共模電壓范圍的 LMV7239 代替 LM339 和 LM324。

圖 12 ：共模輸入電壓范圍 LM324

差模電壓：

使用運算放大器作為比較器時，基本決定特征是運算放大器的差分電壓規(guī)格。差分電壓是同相和反相引腳電壓電平之間的差值。在大多數(shù)比較器中，差分電壓將等于 Vcc。但是，在運算放大器中，它會因運算放大器模型而異。對于某些運算放大器，如 LM324，其差分電壓電平等于 Vcc，而其他運算放大器的差分電壓電平小于 Vcc。

圖 13 ：差模輸入電壓范圍 LM324

在某些情況下，運算放大器在運算放大器的輸入端具有雙向背靠背保護二極管。在這種情況下，輸入端之間的最大允許電壓差僅為0.7V左右。例如，如果同相輸入端的輸入電壓基準為 1V，那么在反相引腳，最大允許電壓變化范圍為 0.3V 至 1.7V。低于或高于提到的電壓限制，運算放大器電路可能會出現(xiàn)異常并導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。LM324 的差模電壓范圍如圖 13 所示，允許的電壓電平遠高于我們的要求。

圖 14：運算放大器輸入端的背靠背二極管——降低差分電壓規(guī)范

輸出電流額定值和溫度注意事項：

在推挽輸出配置中，整個負載電流通過運算放大器或比較器提供。因此，電流要求應(yīng)小于運算放大器或比較器的輸出電流規(guī)格。此外，在這種比較器操作模式下，運算放大器可以在飽和電壓條件下工作。因此，負載電流的增加也會導(dǎo)致運算放大器中更多的功耗，并會增加運算放大器 IC 的溫度，因此需要對此部分進行嚴格控制。

結(jié)論

基于上述數(shù)據(jù)，在非常簡單的直流電壓應(yīng)用中仔細考慮不同的輸入和輸出電壓參數(shù)，用運算放大器替換比較器是一項相當容易的任務(wù)。然而，在高頻應(yīng)用中，更換并不容易，需要考慮運算放大器的頻率響應(yīng)、壓擺率和傳播延遲參數(shù)，在沒有詳細分析的情況下更換會導(dǎo)致設(shè)計完全失敗。