電壓比較器工作原理及應(yīng)用

電壓比較器（以下簡(jiǎn)稱比較器）是一種常用的集成電路。它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)量技術(shù)，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過(guò)零檢測(cè)電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的電壓比較器。

什么是電壓比較器

簡(jiǎn)單地說(shuō)， 電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小（也有兩個(gè)數(shù)字電壓比較的，這里不介紹），并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，如圖1所示。圖1（a）是比較器，它有兩個(gè)輸入端：同相輸入端（“+” 端） 及反相輸入端（“-”端），有一個(gè)輸出端Vout（輸出電平信號(hào)）。另外有電源V+及地（這是個(gè)單電源比較器），同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖1（b）所示。在時(shí)間0～t1時(shí)，VA》VB；在t1～t2時(shí)，VB》VA；在t2～t3時(shí)，VA》VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1（c）所示：VA》VB時(shí)，Vout輸出高電平（飽和輸出）；VB》VA時(shí)，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個(gè)電壓大。

如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1（b）所示，則Vout輸出如圖1（d）所示。與圖1（c）比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關(guān)。

圖2（a）是雙電源（正負(fù)電源）供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1（b）那樣，它的輸出特性如圖2（b）所示。VB》VA時(shí)，Vout輸出飽和負(fù)電壓。

如果輸入電壓VA與某一個(gè)固定不變的電壓VB相比較，如圖3（a）所示。此VB稱為參考電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V（地電平），如圖3（b）所示，它一般用作過(guò)零檢測(cè)。

比較器的工作原理

比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。

圖4（a）由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過(guò)輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個(gè)電阻的關(guān)系式為：Vout=（1+RF/R1）·R3/（R2+R3）VA-（RF/R1）VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1（VA-VB），RF/R1為放大器的增益。當(dāng)R1=R2=0（相當(dāng)于R1、R2短路），R3=RF=∞（相當(dāng)于R3、RF開路）時(shí)，Vout=∞。增益成為無(wú)窮大，其電路圖就形成圖4（b）的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無(wú)窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無(wú)窮大。

從圖4中可以看出，比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。

同相放大器電路如圖5所示。如果圖5中RF=∞，R1=0時(shí)，它就變成與圖3（b）一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當(dāng)于圖3（b）中的VA。

比較器與運(yùn)放的差別

運(yùn)放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運(yùn)放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高（使比較器響應(yīng)速度更快）。另外，比較器的輸出級(jí)常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個(gè)上拉電阻或者直接驅(qū)動(dòng)不同電源電壓的負(fù)載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些比較器為互補(bǔ)輸出，無(wú)需上拉電阻。

這里順便要指出的是，比較器電路本身也有技術(shù)指標(biāo)要求，如精度、響應(yīng)速度、傳播延遲時(shí)間、靈敏度等，大部分參數(shù)與運(yùn)放的參數(shù)相同。在要求不高時(shí)可采用通用運(yùn)放來(lái)作比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密比較器電路。

由于比較器與運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，其大部分參數(shù)（電特性參數(shù)）與運(yùn)放的參數(shù)項(xiàng)基本一樣（如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等）。

比較器典型應(yīng)用電路

這里舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用。

1.散熱風(fēng)扇自動(dòng)控制電路

一些大功率器件或模塊在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風(fēng)扇來(lái)冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡(jiǎn)單的溫度控制電路，如圖7所示。負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測(cè)功率器件的溫度（散熱片上的溫度要比器件的溫度略低一些），當(dāng)5V電壓加在RT及R1電阻上時(shí)，在A點(diǎn)有一個(gè)電壓VA。當(dāng)散熱片上的溫度上升時(shí)，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(shù)（即溫度一定時(shí)，其阻值也是一定的單值）。如果我們?cè)O(shè)定在80℃時(shí)應(yīng)接通散熱風(fēng)扇，這80℃即設(shè)定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80℃時(shí)對(duì)應(yīng)的RT的阻值。R1的阻值是不變的（它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度變化不大時(shí)可認(rèn)為R1值不變），則可以計(jì)算出在80℃時(shí)的VA值。

R2與RP組成分壓器，當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(shí)（電壓穩(wěn)定性較好），調(diào)節(jié)RP可以改變VB的電壓（電位器中心頭的電壓值）。VB值為比較器設(shè)定的閾值電壓，稱為VTH。

設(shè)計(jì)時(shí)希望散熱片上的溫度一旦超過(guò)80℃時(shí)接通散熱風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80℃時(shí)的K值。一旦VA》VTH，則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風(fēng)扇（直流電機(jī)）得電工作，使大功率器件降溫。VA、VTH電壓變化及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說(shuō)清楚的是在VA開始大于VTH時(shí)，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)問(wèn)才能把溫度降到80℃以下。

從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應(yīng)地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，調(diào)整十分方便。只要RT確定，RT的溫度特性確定，則R1、R2、RP可方便求出（設(shè)流過(guò)RT、R1及R2、RP的電流各為0.1～0.5mA）。

2.窗口比較器

窗口比較器常用兩個(gè)比較器組成（雙比較器），它有兩個(gè)閾值電壓VTHH（高閾值電壓）及VTHL（低閾值電壓），與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個(gè)比較器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout輸出高電平；若VA《VTHL，VA》VTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個(gè)冰箱報(bào)警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為0～5℃，（0℃到5℃是一個(gè)“窗口”），在此溫度范圍時(shí)比較器輸出高電平（表示溫度正常）；若冰箱溫度低于0V或高于5℃，則比較器輸出低電平，此低電平信號(hào)電壓輸入微控制器（μC）作報(bào)警信號(hào)。

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0℃時(shí)阻值為333.1kΩ；5℃時(shí)阻值為258.3kΩ，則按1.5V工作電壓及流過(guò)R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計(jì)算出0℃時(shí)的VA值為0.5V（按圖10中R1=665kΩ時(shí)），5℃時(shí)的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設(shè)R2=665kΩ，則按圖11，可求出流過(guò)R2、R3、R4電阻的電流I=（1.5V-0.5V）/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=（R3+R4）0.0015mA， 則可求出R3=53.3kΩ。

本例中兩個(gè)比較器采用低工作電壓、低功耗、互補(bǔ)輸出雙比較器LT1017，無(wú)需外接上拉電阻。