电压比较器的电路构成，电压比较器的原理框图及引脚功能

电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”+”输入端电压高于”-”输入端时，电压比较器输出为高电平;当”+”输入端电压低于”-”输入端时，电压比较器输出为低电平;可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时特点是虚短，虚断;工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断;由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，一般在电路中接入正反馈。

电压比较器的原理框图及其引脚功能

电压比较器内部含输入级、中间放大器和输出级电路，我们需要掌握的是输入端和输出端之间的关系，由此分析电路原理和找到故障检测方法。如前述，运算放大器开环应用时，即为(不太精确的)电压比较器。但放大器的比较特性并不理想，专业的设计和专业的性能需要由专业器件来保障，在应用到电压比较器的场所，大多还是采用专用的电压比较器。其中，集电极开路输出级(又称OC门输出级)型专用电压比较器的应用尤为广泛，在变频器电路中，通常用到的仅为14脚(四比较器)和8脚(双比较器)两种器件，其代表器件型号为LM339、LM393，引脚功能见图所示。

电压比较器原理框图与引脚功能

8脚(双比较器)的引脚排列同8脚运放器件是相同的。14脚略有不同，输出端集中在1、2、13、14脚，供电端为3、12脚。剩余脚为输入脚，奇数脚为同相输入端，偶然脚为反相输入端。其引脚功能是不难记忆的。

电压比较器的供电脚特意标注为V+/Vcc、V-/GND，说明其电源供给是较为灵活的，可以单电源供电，如+5V或+12V、+15V等，也可以双电源供电，如±15V、±12V等。

电压比较器的电路构成

1、电压比较器符号及基本电路

同运放原理的讲解一样，将输出级电路搬到经典电压比较器符号的外部(创意原理符号)，再进而确定两输入端和输出端(或输出级)的对应关系，则其工作原理就呼之欲出了。

图1 常规电压比较器符号、创意原理符号与应用电路

从常规符号(图1中a图)看，电压比较器也为三端元件，即两输入端，一输出端。其输入、输出的关系为：

当IN+》 IN-时，OUT端为高电平“1”;

当IN- 《 IN+时，OUT端为低电平“0”。

这也是做为电压比较器原理及故障判断的一个根本原则。

从创间原理符号(图1中b图)看，当IN-》 IN+时，内部输出级晶体管Q导通，输出端相当于与供电负端短接，因而输出低电平“0”，此低电平可能为0V，也可能是-15V(和供电负端电平相关)。

因电路为开路集电极输出形式，故输出端需加上位电阻R，以形成高电平“1”输出。

从应用电路(图1中c图)看，当当IN+》 IN-时，内部Q截止，OUT端变为高电平。此时输出端高电平的幅度完全取决于上拉Vcc的电平幅度。如Vcc为+5V，电路输出高电平则为+5V;如Vcc为+15V，电路输出高电平则为+15V。

此处输出端上接电源Vcc，既可以是电压比较器的供电电源，也可以是(共地的)另外的电压级别。做为模-数转换(接口)电路，为适应数字(或MCU器件)的供电电源要求，电压比较器输出端多经上拉电阻R接+5V电源(DSP器件，上接电阻则接入+3.3V电源正端)。

2、输出端电路形式

当比较器供电为±15V双电源(比如直接采用运放器件的电源供电)，或输出端上拉电源为+15V，而输出端又要与后级(+5V供电数字电路系统)电路相连接时，那么输出级外围电路就要妥善完成前后级电路电平衔接的任务了。

电压比较器的后级电路为MCU芯片时，MCU对输入信号有3项要求：

输入信号幅度不大于+5V;

因MCU为单电源供电，不要负的输入信号;

只要电压信号，不要电流信号。

图2 电压比较器输出端电路形式

图2中a电路，比较器供电为+15V，输出端上拉电阻R接+5V，实现了前后级电平的自然对接，无须采用输出电平钳位等相关措施。

图2中b电路，比较器供电为+15V，输出端上拉电阻R也接+15V，电路的高电平输出幅度超出后级电路的承受能力，此处加单向钳位二极管D1以限制最高输入电平(将输出高电平钳位在+5V电源电平附近)，或由分压电路将输出电平进行衰减。由电压接法可知，当当IN+》 IN-时，输出端变为高电平，由D1的嵌位作用，使输出端电压为+5V+D1的导通管压降(一般约为0.6V左右)≈+5.6V。

图2中c电路，比较器供电为±15V双电源，输出端上拉电阻R接+15V。电压输出端的高电平为+15V，而低电平为-15V，二者都不符合后级电路的输入电平要求。一般采用添加R2限流电阻和双向错位二极管D1、D2的方法，进行输出端电压钳位。将电压比较器输出的±15V高、低电平嵌位成-0.6V~+5.6V左右的电压信号(换言之，即将输出信号嵌位于0和+5V的供电电源电压范围以内)。

3、输入端基准电压的来源

针对最基本的电压比较器——单级比较器来说，IN+和IN-两个输入端，必定要有其一做为比较基准端，另一端则做为信号电压输入端。基准电压通常由以下几种方式生成(以下图例将电压比较器恢复为常规符号)：

(1)直接由+5V电源(或±15V)电源经电阻分压取得;

(2)由专用基准电压源或三端稳压器取得;

(3)由运算放大器生成。

图3 电压比较器基准电压的来源

如上图3所示，基准(比较)电压可由供电电源经电阻分压取得;亦可由基准电压源或三端稳压器取得更为精准的基准电压;图3中的c电路，是由运放N1取得-2.5V基准电压后，送入电压比较器N2的反相输入端做为比较基准的。

由图3可看出：

输入信号即可进入反相输入端，也可进入同相输入端。

比较器供电可以单电源，可以双电源。单(正)电源供电时，不能输入负的信号电压;

因其供电形式不同，除决定输入信号的极性外，其输出级外围电路也有相应差异;

输入的另一端即可做为基准比较端(电压比较器必须有基准比较端)，通常此端电压不为0V，为一固定不变之电压。输入信号端与基准端电压相等的概率近乎为0，因而两输入端大部分时间内是有电压差的，随输入信号电压的变化，该电压差也是变化的。