比较器在模拟电路、数字电路以及混合信号电路中的应用

比较器是一种电子设备或电路，用于比较两个电压或电流信号的大小，并根据比较结果产生一个输出信号。比较器在电子系统中扮演着重要的角色，广泛应用于模拟电路、数字电路以及混合信号电路中。

定义

比较器是一种电子电路，它可以接收两个输入信号，并根据这两个信号的大小关系产生一个高电平或低电平的输出。当正输入(非反相输入)大于负输入(反相输入)时，输出为高电平;当正输入小于负输入时，输出为低电平。

比较器的工作原理基于运算放大器。实际上，一个基本的比较器可以看作是一个去掉反馈回路的运算放大器。当运算放大器的正输入端电压高于负输入端时，输出端会饱和到正电源电压;反之，当正输入端电压低于负输入端时，输出端会饱和到负电源电压。

开环比较器

开环比较器是最简单的形式，它不包含任何反馈机制。开环比较器的输出在正电源电压和负电源电压之间快速切换，没有中间状态。

滞后比较器

滞后比较器(或称为施密特触发器)在输出切换时引入了滞后效应。这意味着正输入必须高于负输入一定值才能使输出从低电平切换到高电平，而负输入必须低于正输入一定值才能使输出从高电平切换到低电平。滞后效应可以减少输出的抖动和噪声。

窗口比较器

窗口比较器可以提供两个阈值电压，当输入电压在这两个阈值之间时，输出为低电平;当输入电压超出这个范围时，输出为高电平。窗口比较器通常由两个滞后比较器反向连接构成。

快速响应

比较器能够提供快速的响应时间，因为它们通常具有很高的增益和带宽。

无反馈

与运算放大器不同，比较器通常不使用反馈回路，这使得它们的输出可以快速切换。

输出为数字信号

比较器的输出为数字信号(高电平或低电平)，这使得它们可以很容易地与数字电路接口。

简单结构

比较器的结构相对简单，通常只需要少量的外部元件。

滞后效应

滞后比较器具有滞后效应，可以减少噪声和抖动，提高电路的稳定性。

可调节阈值

比较器的阈值电压可以通过外部电阻或电压源进行调节，以适应不同的应用需求。

模拟-数字转换

比较器在模拟-数字转换器(ADC)中起着关键作用，尤其是在逐次逼近寄存器(SAR)ADC中。

电压监测

比较器常用于电压监测和保护电路，例如过压保护和欠压保护。

信号整形

比较器可以用来整形信号，消除噪声和抖动，提供清晰的数字输出。

滞后比较器可以用于构建振荡器，如方波振荡器和三角波振荡器。

数据恢复

在通信系统中，比较器用于从接收到的模拟信号中恢复出数字数据。

电源电压

比较器的电源电压应高于预期的最大输入电压，以确保输出可以饱和到高电平。

输入偏置电流

输入偏置电流可能会影响比较器的性能，特别是在低输入电压下。

增益带宽积

比较器的增益带宽积(GBW)是其性能的重要参数，高GBW意味着更快的响应时间。

输出驱动能力

比较器的输出驱动能力应足以驱动后续的数字电路或负载。

滞后电压

滞后比较器的滞后电压应根据应用需求进行选择，以确保足够的稳定性。

比较器是一种功能强大的电子电路，它在电子系统中有着广泛的应用。通过理解比较器的工作原理、特点和设计考虑，工程师可以有效地利用比较器来实现各种功能。无论是在模拟信号处理、数字信号处理还是混合信号处理中，比较器都是一种不可或缺的工具。

1、使用LM339的LDR比较器电路图

使用德州仪器 (TI) 的IC LM339设计的简单LDR比较器电路。这是一款四路比较器IC，该电路中仅使用了该IC 的4 位内部比较器之一。该电路采用5 伏稳压直流电源供电。

这里该电路的光敏元件是光检测电阻或LDR。这只是一个光敏元件，它会根据照射在其上的光线而改变其电阻。照射在其上的光线越多，其抵抗力越低。

在上面的电路中，我们将引脚 4 连接到 LDR，电阻 R1 作为分压电路。这是反相端子，当光照射到 LDR 传感器时，通过该引脚的电阻率将降低，并且引脚 4 上的电压将升高，从而导致引脚 3 处输出低电平。

我们在引脚 5 处添加了可变电阻。由于可变电阻设置为低阻值，因此引脚 5 上的电压变高。反相端子引脚 4 需要低输入信号以保持低于引脚 4 上的电压以获得更高的输出，这意味着它被设置为低光强度。 LDR 上照射的光越多，其电阻就越低，输出端的电压就越高。每当反相输入端的电压超过或低于非反相输入端设置的阈值电压时，比较器输出就会改变状态。 LDR 在黑暗中时 LED 亮起。我们可以使用继电器或蜂鸣器代替LED来将该电路投入具体应用。

2、基于LM358运算放大器的比较器电路图

这是一个由常见 LM741 运算放大器构建的比较器。在此测试电路中，我们使用 12 伏双极电源。在 NEG 输入中，引脚 2 固定为 6 伏，齐纳二极管连接到电源的 + 侧。我们将其称为 Vref。

在引脚 3 的 POS 输入上，我们将电位计连接回 + 和 GND。这是文。如果 Vin小于6 伏，则 LM741 引脚 7 上的输出将约为负 10 伏。这里我们使用1N4001二极管来保护LED免受过高的反向电压的影响。

如果我们将 10K 电位器调整到 Vin 大于 Vref ，则引脚 7 上的输出将变为大约+10V 正向偏置 1N4001 并打开 LED。

使用 LM741 的缺点是使用双极电源。图中的比较器电路使用LM358运算放大器代替LM741。 LM358 专为单电源供电而设计。它的作用，只是添加了 Q1 作为集电极开路输出驱动器。

当 Vin 小于 Vref 时，引脚上的输出变为约 10 伏，从而打开晶体管 Q1，从而打开 LED。通过用 10K 电位器设置跳变点，可以制作欠压指示器。

3、使用LM101的比较器电路图

LM101 非常适合比较器应用的两个原因是它具有较大的差分输入电压范围，并且输出易于钳位以使其与各种驱动器和逻辑电路兼容。 LM101 没有 LM7104 的速度(10us 与 40ns，在同等条件下)，但速度在许多线性应用中不是问题，并且 LM101 的较低输入电流和较高电压能力是一个很大的优势。下面的电路图显示了使用 LM101 的两个比较器电路。

上图是一种钳位方案，使输出信号直接与DTL或TTL集成电路兼容。 0V 或 4V 的输出分别由 LM103 击穿二极管钳位在低或高状态。具有急剧击穿和低等效电容是选择这种特殊二极管的原因。放大器开环工作，因此作为比较器工作时通常不需要频率修正。尽管如此，为了防止比较器处于活动区域时出现低电平振荡，放大器引脚 5 和 6 之间的杂散电容应最小化。如果这成为问题，则正常补偿端子上的 3 pF 电容器将消除它。