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一、比较器的定义和原理

比较器是能够实现比较两个输入端的电流或电压的大小这一功能的电路或者装置。它有两个输入端Vi+和Vi-，一个输出端Vout。输入端接的是模拟信号，输出端输出是的数字信号，输出要么是高要么就是低，具体的高电平是任意由外接的电压幅值来决定的。

图1 比较器的符号

选择其中输入端作为参考点（REF)来进行比较，例如选择同相输入端V2作为参考,当反相输入端V1大于V2时,Vout输出低电平;当V1小于V2时,Vout输出高电平。由此可知输出端的状态代表着两个输入之间的净差的符号,参考电压V2则称为比较器的阈值电压UT。由于比较器实际上是1位数模转换器(ADC),因而是ADC中的一个基本元件。

电压比较器的输出电压uo与输入电压ui的函数关系称为其电压传输特性，即uo=f (ui)。由于比较器与开环下的集成运放特性比较相似，不妨先回顾下运放的电压传输特性，如图2所示。

图2 运放的电压传输特性

比较器的电压传输特性与运放的区别主要在于由于比较器是开环输出，没有负反馈也没有相位补偿，因此其翻转速度比运放快。其次，由于比较器一般为开集输出，因此其输出高电平电压不由电源轨而是由外电路决定。一般如果忽略其翻转的时间，其电压传输特性近似如图3。

图3 比较器的电压传输特性

除了上文提到的输出高低电平UOH&UOL、阈值电压UT之外，比较器电压传输特性还有第三大要素——ui变化且经过UT时uo跃变的方向。图4表明参考电压加在反相端和同相端时输出电压跃变方向是相反的。

图4 参考电压分别加在反相端(左)和同相端(右)  

下图所示为TI某比较器的原理图，可以发现输入级采用的也是差分放大电路，而输出级与运放有所不同——采用的集电极开路的形式。

图5 TI某比较器的原理图(来自官网的datasheet)

二、比较器与运放的联系和区别

1.结构上的区别

1）相较于运放采用推挽输出的方式，比较器采用开集输出，需要加上拉电阻。

图6 比较器输出上拉

2）比较器为了加快响应速度，中间级很少，也没有内部的频率和相位补偿。如图4，可以发现该比较器没有中间级而仅有输入级和输出级。

2.开环与闭环

运放一般工作在闭环负反馈状态（线性区），主要作用是对输入端信号进行放大；比较器工作在开环状态（非线性区），主要是对输入端的信号进行比较判别，翻转速度比较快。

在对速度要求不高的时候，运放可以工作于开环当做比较器使用，但输出会受到电源轨的限制因此需要注意电平匹配问题。反过来电压比较器在大部分情况下不能作为运放使用，主要是由于比较器没有做相位补偿闭环容易不稳定。

3.输出信号的形式与响应速度

1)相较于运放输出的是模拟信号，比较器输出的是高低电平对应数字的0和1，集电极开路使其可兼容TTL或CMOS。

2)相较于运放，比较器的响应速度比较快，这也是由于其内部没有做相位补偿的缘故。

三、比较器的应用

1.过零比较器

过零比较器就是将参考电压设置为Uref=0

图7 过零比较器（反相端作为参考）图8 过零比较器（同相端作为参考）

2.滞回比较器

对于上述简单的比较器，当两个输入端信号极为接近时，由于输入电压的毛刺就会导致输出产生连续跳变，这就是所谓的振铃效应。为了解决这个问题人们设计了滞回比较器，由于滞回比较器的输入电压逐渐增大或者减小时，有两个不相等的阈值，其传输特性具有滞回曲线的形状，因此具有很强的抗干扰能力。滞回比较器可以分为上行滞回(即同相输入，反相参考)和下行滞回(即反相输入，同相参考), 根据参考电压是否为零又可分为有参考电压的和无参考电压。

图9 上行滞回比较器（不带参考电压）

图10 下行滞回比较器（不带参考电压）

图11  上行滞回比较器 (带参考电压)

图12  下行滞回比较器 (带参考电压)

3.窗口比较器

采用了两个并联的比较器来确定信号是否介于两个参考电压之间。输入信号只有在这两个阈值之间时才会被认为是有效的信号。若输入信号高于上限或低于下限，则窗口比较器会发出警报或触发相应的逻辑电路。具体作用如下：

检测输入信号：窗口比较器可以对输入信号进行实时监测，并判断该信号是否在指定的阈值范围内。这种功能在许多自动控制系统和传感器中都需要使用到，例如在温度、压力、光强等方面的测量。

限幅效应：窗口比较器可以提供限制输入信号幅值的效果，当输入信号超出预设的上限或下限时，输出信号将发生变化。这种功能可以在模拟信号处理、音频处理和视频信号处理中得到广泛应用。

信号触发：窗口比较器还可以被用作信号触发器，当输入信号进入或离开预设的阈值范围时，输出信号将触发相关的事件或过程。这种功能可用于电子设计、机器人控制和自动化流程等领域。

图13 窗口比较器原理图

简单分析不难发现上面原理图中比较器窗口对应的两个阈值分别为1/3*VCC和2/3*VCC。如果信号处于窗口范围内，则输出高电平。如果信号电平超出窗口范围，则输出低电平。如下图所示。

图14  窗口比较器瞬态仿真结果

4.AD转换

除上述三种经典用法之外，比较器还可以作为ADC中的一个典型元件。例如在比较器的一个输入端连接磁性传感器或光电二极管，另一输入端接参考电压，用传感器驱动比较器的输出端产生合适驱动逻辑电路的高低电平。

图15 光敏电阻模数转换典型电路图

关键词： 二极管 adc 运放 比较器 仿真