運(yùn)算放大器比較器和電路電壓反相方程摘要

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

運(yùn)算放大器比較器將一個(gè)模擬電壓電平與另一個(gè)模擬電壓電平或某個(gè)預(yù)設(shè)參考電壓V REF 進(jìn)行比較，并根據(jù)該電壓比較產(chǎn)生輸出信號(hào)。換句話說，運(yùn)算放大器電壓比較器比較兩個(gè)電壓輸入的幅度，并確定哪個(gè)是兩者中最大的。

我們?cè)谥暗?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">教程中已經(jīng)看到運(yùn)算放大器可以用于負(fù)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(hào)的幅度。我們還看到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的特點(diǎn)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(duì)應(yīng)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?yàn)樵陂_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(dòng)到其正電源軌， + Vcc 或完全擺動(dòng)到其負(fù)電源軌， -Vcc on通過一些預(yù)設(shè)閾值的變化輸入信號(hào)的應(yīng)用。

開環(huán)運(yùn)算放大器比較器是一個(gè)模擬電路，在兩個(gè)模擬輸入的變化中，在非線性區(qū)域運(yùn)行， V + 和 V - 使其行為類似于數(shù)字雙穩(wěn)態(tài)設(shè)備，因?yàn)橛|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(gè)1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檩斎胄盘?hào)是模擬的，但輸出表現(xiàn)為數(shù)字。

考慮基本的運(yùn)算放大器電壓比較器以下電路。

運(yùn)算放大器比較器電路

參考在上面的運(yùn)算放大器比較器電路中，首先假設(shè) V IN 小于 V REF 時(shí)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(fù)）輸入，輸出將為低電平且負(fù)電源電壓 -Vcc 導(dǎo)致負(fù)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(dǎo)致輸出正飽和。如果我們?cè)俅谓档洼斎腚妷?V IN ，使其略小于參考電壓，則運(yùn)算放大器的輸出切換回其負(fù)飽和電壓，作為閾值檢測(cè)器。

然后我們可以看到運(yùn)算放大器電壓比較器是一個(gè)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(yùn)算放大器的開環(huán)增益很高，其輸出電壓的幅度在兩個(gè)方向上都是無限的（±＆amp;＃8734 ）。然而實(shí)際上，由于顯而易見的原因，它受到運(yùn)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(yùn)算放大器比較器通過將輸入電壓與某個(gè)預(yù)設(shè)的直流參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生正或負(fù)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(jì)，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(shí)際電壓范圍存在實(shí)際限制，具體取決于所使用器件的運(yùn)算放大器比較器。 / p>

正負(fù)電壓比較器

基本運(yùn)算放大器比較器電路可用于檢測(cè)正輸入電壓或負(fù)輸入電壓，具體取決于我們連接的運(yùn)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(hào)如上所示。然后，運(yùn)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(cè)輸入信號(hào) V IN 何時(shí)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(yùn)算放大器的反相輸入端，輸入信號(hào)連接到非反相輸入。為簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)形成分壓器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)電阻相等，并且： R1 = R2 = R 。這將產(chǎn)生一個(gè)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(dāng) V IN 大于 V REF 時(shí)，運(yùn)算放大器比較器輸出將向正電源軌飽和， Vcc 。當(dāng) V IN 小于 V REF 時(shí)，運(yùn)算放大器比較器輸出將改變狀態(tài)并在負(fù)值處飽和電源軌， 0v ，如圖所示。

負(fù)電壓比較器

負(fù)電壓比較器的基本配置，也稱為反相比較器電路，檢測(cè)何時(shí)輸入信號(hào)， 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(yùn)算放大器的非反相輸入，同時(shí)輸入信號(hào)連接到反相輸入。然后，當(dāng) V IN 小于 V REF 時(shí)，運(yùn)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(dāng) V IN 大于 V 時(shí)REF ，運(yùn)算放大器比較器輸出將改變狀態(tài)并向負(fù)電源軌飽和， 0v 。

然后取決于哪個(gè)運(yùn)算放大器我們用于信號(hào)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(gè)運(yùn)算放大器比較器電路來進(jìn)一步檢測(cè)負(fù)信號(hào)或正信號(hào)，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(gè)比較器級(jí)。窗口比較器檢測(cè)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(gè)預(yù)設(shè)或固定電壓參考點(diǎn)。

此時(shí)，窗口比較器不是僅具有一個(gè)參考電壓值，而是具有由一對(duì)電壓比較器實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)參考電壓。一個(gè)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器，檢測(cè)到某個(gè)高電壓閾值， V REF（UPPER） ，并且在檢測(cè)到較低電壓時(shí)觸發(fā)運(yùn)算放大器比較器閾值水平， V REF（LOWER） 。然后，這兩個(gè)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(gè)等值電阻器，那么 R1 = R2 = R3 = R 我們可以創(chuàng)建一個(gè)非常簡(jiǎn)單的窗口比較器電路，如圖所示。此外，當(dāng)電阻值全部相等時(shí)，每個(gè)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(gè)簡(jiǎn)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 ?？紤]下面的窗口比較器電路。

窗口比較器電路

當(dāng)時(shí)V IN 低于較低的電壓電平， V REF（LOWER） ，相當(dāng)于 1 / 3Vcc ，輸出為L(zhǎng)OW。當(dāng) V IN 超過此 1 / 3Vcc 更低的電壓電平時(shí)，第一個(gè)運(yùn)算放大器比較器會(huì)檢測(cè)到此情況，并將輸出高電平切換為 Vcc 。

當(dāng) V IN 繼續(xù)增加時(shí)，它會(huì)通過高電壓電平， V REF（UPPER） 在 2 / 3Vcc 處，第二個(gè)運(yùn)算放大器比較器檢測(cè)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(hào)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(dāng) V IN 減小時(shí)，它會(huì)通過第二個(gè)運(yùn)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(dāng) V IN 繼續(xù)減小時(shí)，它會(huì)通過第一個(gè)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(fù)向信號(hào)創(chuàng)建窗口。因此我們可以看到，當(dāng) V IN 超過或低于兩個(gè)運(yùn)算放大器比較器設(shè)置的上下參考電平時(shí)，輸出信號(hào) V OUT 將為HIGH或LOW。

在這個(gè)簡(jiǎn)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?yàn)槲覀兪褂昧巳齻€(gè)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(yīng)用進(jìn)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(gè)正弦波形，然后我們可以使用這個(gè)窗口比較器電路作為正弦波的過零檢測(cè)器，每當(dāng)正弦波超過零伏線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生高或低輸出從正到負(fù)或從負(fù)到正。

我們可以通過將多個(gè)不同的運(yùn)算放大器比較器與它們一起使用公共輸入信號(hào)進(jìn)一步檢測(cè)電壓電平，但每個(gè)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?？紤]下面的電壓電平檢測(cè)電路。

比較器電壓電平檢測(cè)器

如上，分壓器網(wǎng)絡(luò)為各個(gè)運(yùn)算放大器比較器電路提供一組參考電壓。要產(chǎn)生四個(gè)參考電壓，需要五個(gè)電阻。底部電阻對(duì)的結(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生一個(gè)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(duì) 2 / 5Vcc ，第三對(duì) 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(shí)際上是 Vcc 。

隨著公共輸入電壓的增加，每個(gè)運(yùn)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(cè)任何電壓電平。使用電壓電平檢測(cè)和指示的一個(gè)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(yùn)算放大器比較器的數(shù)量，可以創(chuàng)建更多觸發(fā)點(diǎn)。因此，例如，如果我們?cè)阪溨杏?個(gè)運(yùn)算放大器比較器并將每個(gè)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(gè)非常簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制碼（0到7）。

具有正反饋的運(yùn)算放大器

我們?cè)谶@里看到運(yùn)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(hào)快速變化或者噪聲太大，這是很好的。但是，如果輸入信號(hào) V IN 變化緩慢或存在電噪聲，則運(yùn)算放大器比較器可能會(huì)振蕩，在兩次飽和之間來回切換其輸出狀態(tài)， + Vcc 和 -Vcc ，因?yàn)檩斎胄盘?hào)在參考電壓 V REF 級(jí)別附近徘徊。克服這個(gè)問題并避免運(yùn)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(gè)電阻器設(shè)置的分壓器將輸出信號(hào)的一部分或一部分反饋到運(yùn)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(yùn)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(hào)必須有顯著變化 V IN 輸出切換回原始飽和點(diǎn)之前。兩個(gè)開關(guān)點(diǎn)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(yùn)算放大器反相器

對(duì)于上面的反相比較器電路， V IN 應(yīng)用于運(yùn)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(gè)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(gè)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?jǐn)?shù)。

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

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

但這次的差異是由于輸出端的負(fù)飽和電壓導(dǎo)致現(xiàn)在出現(xiàn)在非反相輸入端的負(fù)電壓等于：-β* Vcc ，因此產(chǎn)生第二跳變點(diǎn)電壓值。然后輸入信號(hào)現(xiàn)在必須低于第二個(gè)電壓電平，稱為低跳閘點(diǎn)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(dāng)輸出改變狀態(tài)時(shí)，非反相輸入端的參考電壓也改變，產(chǎn)生兩個(gè)不同的參考電壓值和兩個(gè)不同的切換點(diǎn)。一個(gè)稱為L(zhǎng)ower Upper Trip Point （UTP），另一個(gè)稱為 Lower Trip Point （LTP）。這兩個(gè)跳變點(diǎn)之間的差異稱為滯后。

遲滯量由反饋輸出電壓的反饋分?jǐn)?shù)β確定到非反相輸入。正反饋的優(yōu)勢(shì)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(hào)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(hào)，因?yàn)檫\(yùn)算放大器比較器輸出僅觸發(fā)一次。

因此，對(duì)于正輸出電壓， V REF = +β* Vcc ，但對(duì)于負(fù)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(yùn)算放大器比較器電路顯示：

帶滯后的同相運(yùn)算放大器

注意遲滯圖上的箭頭表示上下跳變點(diǎn)的切換方向。

比較器示例No1

運(yùn)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(yùn)算放大器連接到雙±10v 電源，則參考電壓的上下切換點(diǎn)和滯后寬度。

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

反饋分?jǐn)?shù)：

高電壓跳變點(diǎn)， V UTP

低電壓跳變點(diǎn)， V LTP

滯后寬度：

然后參考電壓 V REF ，在 + 1V 和 -1V 之間切換，因?yàn)檩敵鲲柡鸵粚拥搅硪粚?。希望我們從這個(gè)簡(jiǎn)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(yùn)算放大器作為基本比較器電路，問題在于運(yùn)算放大器僅針對(duì)線性操作進(jìn)行了優(yōu)化。這是輸入端子實(shí)際上處于相同電壓電平的位置，其輸出級(jí)設(shè)計(jì)為產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間不飽和的線性輸出電壓。此外，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于閉環(huán)應(yīng)用，從其輸出到反相輸入具有負(fù)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(dāng)輸入信號(hào)相差較小時(shí)。運(yùn)算放大器比較器和電壓比較器之間的區(qū)別在于輸出級(jí)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器具有針對(duì)線性操作優(yōu)化的輸出級(jí)，而電壓比較器的輸出級(jí)針對(duì)連續(xù)飽和操作進(jìn)行了優(yōu)化，因?yàn)樗?/p>

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(gè)供電軌或者不在兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)IC封裝。這些專用電壓比較器的設(shè)計(jì)目的是將輸出從一個(gè)飽和狀態(tài)快速切換到另一個(gè)飽和狀態(tài)，因?yàn)橛糜陔妷罕容^器輸出級(jí)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(hào)輸入到數(shù)字輸出信號(hào)中，它們通常用于連接具有不同電源或參考電壓的兩個(gè)不同電信號(hào)。因此，電壓比較器的輸出級(jí)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(shí)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(gè)上拉電阻連接到電壓源（以及用于指示的LED，將單個(gè)輸出拉高至電源。當(dāng)輸出開關(guān)為高電平時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高阻抗路徑，因此沒有電流流過 V OUT = Vcc 。

當(dāng)比較器改變狀態(tài)且輸出開關(guān)為低電平時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低阻抗接地路徑，電流流過上拉電阻（和LED），導(dǎo)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(yùn)算放大器比較器的原理圖符號(hào)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(jí)，開路集電極或漏極配置對(duì)于驅(qū)動(dòng)繼電器，燈等非常有用。通過從輸出驅(qū)動(dòng)晶體管，可以獲得比單獨(dú)輸出比較器更大的開關(guān)電流容量。

運(yùn)算放大器比較器摘要

在本教程中關(guān)于運(yùn)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(gè)沒有反饋的運(yùn)算放大器，即運(yùn)算放大器用于其開環(huán)配置，當(dāng)輸入電壓 V IN 超過預(yù)設(shè)參考電壓時(shí)， V REF ，輸出改變狀態(tài)。

由于運(yùn)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(huì)導(dǎo)致輸出飽和到其供電軌，產(chǎn)生兩個(gè)不同輸出電壓中的一個(gè)，取決于其兩個(gè)輸入的相對(duì)值。這種雙穩(wěn)態(tài)行為是非線性的，構(gòu)成了運(yùn)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(jí)，如單個(gè)LM311，雙LM393或四個(gè)LM339設(shè)計(jì)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(yīng)用和各種類型的電壓電平檢測(cè)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(gè)不同的切換點(diǎn)UTP和LTP之間。

運(yùn)算放大器窗口比較器是一種電壓比較器電路，它使用兩個(gè)運(yùn)算放大器比較器產(chǎn)生雙態(tài)輸出，通過使用兩個(gè)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(yùn)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(jì)用于不同的應(yīng)用，因?yàn)檫\(yùn)算放大器可用作比較器，由于其非線性輸出級(jí)，電壓比較器不能用作運(yùn)算放大器。

我們從之前的教程中了解到，運(yùn)算放大器是一個(gè)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(yùn)行，其輸出就像一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器比較器。