电子电路中比较器的设计和实现介绍

电子电路是由各种电子器件组成的，因此学习电子电路中，必须要熟悉各种电子器件性能，今天就给大家讲解比较器。

一.比较器的定义

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。

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。

二.比较器的工作原理

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。

由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

三.比较器性能指标

1.0 滞回电压：比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个：一个用于检测上升电压，一个用于检测下降电压，电压门限(VTRIP)之差等于滞回电压(VHYST)，滞回比较器的失调电压是TRIP 和VTRIP-的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对失调电压的影响。

2.0 偏置电流：理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流(Ibias)定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。MAX917系列比较器的最大偏置电流仅为2nA。

3.0 超电源摆幅：为进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出250mV，因而达到超电源摆幅(Beyond-theRail)标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。4.0漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态(零电平或电源电压)，且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。

5.0 输出延迟时间：包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，对于高速比较器，如MAX961，其延迟时间的典型值可对达到4.5ns，上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。

四.比较器的应用电路

该电路采用光敏电阻控制分压电路。当该电路吸收强光时，输出设备将被关闭。当电路吸收黑暗时，输出设备将被关闭。该电路基于电压比较器原理工作。如果 IC 电压的反相端高于同相端，则输出设备激活。同样，如果 IC 的反相端电压低于同相端，则输出设备停用。此处，该电路使用 LED 作为输出设备。

该IC有两个电源输入，即Vcc和GND，其中Vcc是正电压电源，最高可达36V，GND是电压源的地线。电源通道可以用这两个端子完成，并为该操作提供电源。

3、工作原理

IC 通电后，比较电压值。如果反相端电压高于同相端电压，则运算放大器输出将接地，电流将从正电源流向 GND。同样，如果反相端的电压低于同相端，则运算放大器输出将保持在正电源电压 (Vcc)，并且没有电流流动，因为负载两端没有电势差。

因此，当反相端的电压很高时，负载将被打开。当反相端电压低时，负载将被关闭。这里LED用作负载。使用LM393的小夜灯电路。该电路以LED作为负载，光敏电阻用于检测光线。光敏电阻的阻值主要取决于照射到其表面的光线。当光敏电阻检测到黑暗时，光敏电阻的阻值会变高，而当光敏电阻检测到亮光时，其阻值会降低。

因此，如果我们使用光敏电阻和固定电阻连接分压器电路，如果它检测到黑暗，则光敏电阻将利用更多电压，因为它在黑暗中的电阻较小。类似地，如果它检测到明亮的光线，则光敏电阻将使用较少的电压。

如果运放同相端的输入是一个比较稳定的参考电压，光敏电阻的电压在黑暗中高于参考电压，在光照下低于参考电压，这里设计了一个比较器当有夜晚然后有光时，电路的作用不同。因此，LED 会在黑暗中点亮，在强光下熄灭。