簡單直流電壓應(yīng)用的比較器電路

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(gè)鉛酸電池運(yùn)行的家用 UPS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要一個(gè)低電壓指示器來警告客戶電池當(dāng)前的低電壓狀態(tài)。鉛酸電池在開路條件下的電壓等級(jí)為 11.7V 至 13.5V。因此，當(dāng)電池電壓低于 12V 時(shí)，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(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示。

圖 1：使用比較器/運(yùn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)信息，每當(dāng)反相引腳電壓低于 3.3V 時(shí)，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(shí)，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(xì)配置比較器的輸出負(fù)載。

圖 3：比較器輸出配置 對(duì)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(fù)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(fù)載直接連接到比較器的輸出引腳。

不同比較器和運(yùn)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(duì)于輸出負(fù)載，需要一個(gè)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(jì)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(shí)，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(fù)載直接連接到 LM7239 的輸出引腳。LM324 運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器的輸出時(shí)，應(yīng)考慮兩個(gè)重要點(diǎn)。

負(fù)載電壓要求應(yīng)小于或等于比較器輸出電壓。

負(fù)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(yùn)算放大器時(shí)，輸出電壓擺幅是定義輸出負(fù)載如何與比較器或運(yùn)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(duì)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(yùn)放也有推挽輸出配置，LM324運(yùn)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(duì)于 5V Vcc，在任何情況下，我們都不能從運(yùn)算放大器輸出中獲得超過 3.5V 的電壓。在LM7239 比較器中，對(duì)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?yàn)?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(yùn)算放大器實(shí)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(shí)提供。因此，LED 和蜂鳴器串聯(lián)，R_Control 電阻值可以計(jì)算如下。負(fù)載并聯(lián)，因此總電流要求為 6mA。

308.3Ω 和 83.3Ω 不是標(biāo)準(zhǔn)電阻值。因此，可以選擇 300Ω 和 82Ω 標(biāo)準(zhǔn)值。

圖 10 顯示了采用推挽配置的低電壓指示器電路的實(shí)現(xiàn)。在該電路中，輸出負(fù)載電壓要求低于比較器或運(yùn)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(duì)電路進(jìn)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(yùn)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(fù)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(fù)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(yùn)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(dá) 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(shí)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(dāng)電池電壓小于 12.9V 時(shí)，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(jì)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(gè)問題，有兩種可能的方法可用。

比較器或運(yùn)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(jìn)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(yùn)算放大器作為比較器時(shí)，基本決定特征是運(yùn)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(yùn)算放大器中，它會(huì)因運(yùn)算放大器模型而異。對(duì)于某些運(yùn)算放大器，如 LM324，其差分電壓電平等于 Vcc，而其他運(yùn)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(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器的輸入端具有雙向背靠背保護(hù)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(zhǔn)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(yùn)算放大器電路可能會(huì)出現(xiàn)異常并導(dǎo)致錯(cuò)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(yuǎn)高于我們的要求。

圖 14：運(yùn)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(xiàng)：

在推挽輸出配置中，整個(gè)負(fù)載電流通過運(yùn)算放大器或比較器提供。因此，電流要求應(yīng)小于運(yùn)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(yùn)算放大器可以在飽和電壓條件下工作。因此，負(fù)載電流的增加也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器中更多的功耗，并會(huì)增加運(yùn)算放大器 IC 的溫度，因此需要對(duì)此部分進(jìn)行嚴(yán)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(xì)考慮不同的輸入和輸出電壓參數(shù)，用運(yùn)算放大器替換比較器是一項(xiàng)相當(dāng)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(yùn)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(xì)分析的情況下更換會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)完全失敗。

審核編輯 ：李倩