详解比较器器电路

一、什么是比较器？

比较器，具有两个模拟电压输入端UIN+和UIN-，一个数字状态输出端UOUT，输出端只有两种状态，用以表示两个输入端电位的高低关系：

UH代表高电平，UL代表低电平，具体的电位值，取决于系统的定义。常见的数字系统中，3.3V代表高电平，0V代表低电平；也有12V/5V代表高电平，0V代表低电平。

高低电平的本质：可以明显区分的电位。

实现比较器的方法：

专门的比较器

运放实现比较器（不推荐）

二、用运放实现比较器

用运放实现比较器，局限性较大，一般不被建议，在要求不高的场合，运放可作为比较器。

三、简单的运放比较器

1、理想比较器

作比较器应用时，一般都是将一个输入端接成固定电位，称为基准，用UREF表示，用另一个输入端接被测电位uI，用于衡量被测电位与基准的关系。

理想运放与其输入输出关系

上图为理想运放与其输入输出关系。图中输出只有两种状态：UH和UL。用运放实现的比较器，具有极高的开环增益（不是工作在负反馈状态下）：

当输入电压大于基准电压时，两者的差乘以开环增益，一般都会超过正电源电压，而使实际运放输出为正电源电压（轨对轨运放）。

当输入电压小于基准电压时，两者的差（负值）乘以开环增益，一般都会低于负电源电压，而使运放的实际输出为负电源电压。

2、实际比较器

实际比较器

该曲线中的红色虚线区域为比较器的不灵敏区。发生在输入电压非常接近基准电压时，输出是一个不确定的值。理想运放组成的比较器，不灵敏区为0.

这里有个思考的问题：不灵敏区越小越好或者说比较器越灵敏越好吗？

四、比较器的灵敏度问题

对于一个过于灵敏的比较器，往往会给系统带来麻烦。因为日常生活的输入信号，它并不是一个理想的信号，它是包含噪声信号的。

比较器灵敏度问题

将图中蓝色区域展开，可发现：对于一个非常灵敏的比较器， 噪声信号是波动的，经常会在某个点低于基准点，从而使比较器发生翻转。这就形成了有点所示的很多较小时间的脉冲，而这往往是不准确的。

举个例子：生活中有些场所是有人员限制的，在进出口安装红外发生器和接收器，一旦有人经过就产生一个脉冲，但是给与比较器判断的信号是有干扰的，如果明明进去一个人，但是像右图所示产生了7个脉冲，判断有7个人进去了，这是不准确的。我们可以通过软件编程的方式判断脉冲的时间，过小的时间不可能进去一个人，从而剔除干扰信号；也可以在模拟电路阶段采取迟滞比较的方式来剔除。

如果把基准电压从单个变成两个呢？只有一个基准电压，称为单门限比较器；

五、迟滞比较器

迟滞比较器

如图所示：两个黄线表示两个基准电压，可以看出右边黄线区间内的噪声信号被滤除了，虽然这种情况还是存在噪声干扰，但是明显比单门限好得多。这两个基准电压越接近，效果就越接近单门限的效果。

迟滞比较器

原理：

当输入电压足够负时，运放的负输入端电压总是小于正输入端，因此输出一定是正电源电压+VCC(近似)，此时运放的正输入端作为比较基准，为kVCC：

k=R1/R1+R2

随着输入电压逐渐增大，工作点沿着红色线一直向右移动， 到达B点，输入电压大于kVCC，此时运放的正输入端电压小于负输入端电压，输出变为-VEE，即从B点处红色跌落。此时，比较基准立即改变：由原先的kVCC变为-kVEE。这就表示：此时就算输入电压发生轻微的逆向翻转，比较器也不翻转。

图中：假设从 A 开始，到 B 点翻转，到 C点，红色线一直向右，然后以绿色线回转到达kVCC 处，比较器不翻转，沿着绿色线一直到 D 点，才回到 A 点（重新回到高电平）。

拓展：

这个比较器的输出状态，不仅仅与输入状态相关，还与当前的输出状态有关，使得输入输出伏安特性曲线，呈现出类似迟滞回线的形态，因此称为迟滞比较器。

迟滞比较器看起来比较迟钝，但是带来的好处是：只有明确的、强有力的输入，才能引起输出改变，而一旦改变，想要恢复，也得特别厉害的反向动作。

迟滞比较器

六、多种形态的迟滞比较器

前面提到的只是迟滞比较器的一种，它的伏安特性曲线是顺时针旋转的，且它的两个阈值电压是基于0V对称的。当接入一个基准电压UREF这就是更为常用的比较器。

多种形态的迟滞比较器

分析：

假设运放输出高电平为 UOH（对理想运放来说，此值为VCC），输出低电平为UOL，那么对输入信号，电路有两个比较翻转点，较大的一个称为UR+，较小的称为UR-。

设正反馈系数为k，k值越接近于1，说明反馈越强烈，迟滞窗口越宽：

k=R1/R1+R2

当输出为高电平时，翻转点为：

U R + = UOHk + UREF ( 1 − k )

当输出为低电平时，翻转点为：

U R − = UOLk + UREF (1 − k )

如果UOH=-UOL，即输出对称，可得到：

U R + = ( 1 − k ) UREF + 0.5 U WDU

U R − = ( 1 − k ) UREF − 0.5 UWU

其中，UWD代表两个比较阈值之间的电压宽度，或者叫窗口电压。

UWD = UREF + − U REF − = ( VCC + VEE*（R1/R1+R2）)

拓展：

合理地选择电路结构，选择电阻值，可以做出符合设计要求的迟滞比较器：可改变顺逆结构，可以改变中心阈值，可以改变阈值窗口电压。

叠加原理分析

七、TINA-TI仿真

1、过零比较器

信号源VG1上叠加一个噪声源VG2：

过零比较器

波形如下：

过零比较器波形

过零点展开：

过零比较器波形过零点展开

2、迟滞过零比较器

加入迟滞：

迟滞过零比较器

波形如下：

迟滞过零比较器波形

过零点展开：

迟滞过零比较器过零点展开

七、特点（缺点）

运放的输出取决于供电电压，与数字电平不一定匹配。

运放存在严重的过驱恢复时间，不利于高速运行。

运放灵敏度过高。

八、专门的比较器（实际比较器）

下面为LM311/LM111数据手册：

LM311/LM111数据手册

TINA-TI仿真

实际比较器TINA-TI仿真

波形：

实际比较器波形图

审核编辑 ：李倩