電壓比較器原理

電壓比較器的基本功能是能對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，判斷出其中哪一個(gè)比較大。比較的結(jié)果用輸出電壓的高和低來(lái)表示。電壓比較器可以采用專用的集成比較器，也可以采用運(yùn)算放大器組成。由集成運(yùn)算放大器組成的比較器，其輸出電平在最大輸出電壓的正極限值和負(fù)極限值之間擺動(dòng)，當(dāng)要和數(shù)字電路相連接時(shí)，必須增添附加電路，對(duì)它的輸出電壓采取箝位措施，使它的高低輸出電平，滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。

下面討論幾種常見(jiàn)的比較器電路。

1．基本過(guò)零比較器（零電平比較器）

2．任意電平比較器

背景知識(shí)：

電壓比較器在電路結(jié)構(gòu)、點(diǎn)性能等方面與運(yùn)放基本相同，而其符號(hào)表示也與運(yùn)放完全一致，有同相和反向兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，開(kāi)環(huán)增益用A表示，電壓比較器的功能是比較兩個(gè)模擬信號(hào)的大小，并在輸出端得到高電平或低電平。理想的電壓比較器，其特性可表示為:當(dāng)V+大于V,輸出高電平:而當(dāng)V-大于V+，輸出低電平

基本原理：

電壓比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)換到高電平，或從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，需要一定的時(shí)間(決定電壓比較器的瞬態(tài)響應(yīng))，其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調(diào)電壓，因此它的輸入端將出現(xiàn)不確定電壓，該不確定電壓將直接影響電壓比較器的靈敏度(對(duì)輸入電壓判別的靈敏度)。對(duì)于高性能的電壓比較器來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有高的開(kāi)環(huán)增益A、低的失調(diào)電壓和高的壓擺率。

顯然，一般的運(yùn)算放大器如果工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，也可以作為電壓比較器之用。但在運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)，著重考慮其輸出與輸入之間的線性傳輸特性以及頻率補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。因此，運(yùn)放的響應(yīng)時(shí)間和延遲時(shí)間往往不是很大，開(kāi)環(huán)增益也不是很高。若需要高速或高靈敏度的電壓比較器，采用運(yùn)放來(lái)代替電壓比較器，在要求比較高的設(shè)計(jì)中通常是不合適的，而需要根據(jù)具體的要求設(shè)計(jì)電壓比較器。在設(shè)計(jì)電壓比較器時(shí)，其直流特性的設(shè)計(jì)原則基本上與運(yùn)放電路一致，而頻率特性的設(shè)計(jì)與運(yùn)放電路不同，通常電壓比較器在開(kāi)環(huán)條件下工作，因此在電路內(nèi)部不需要考慮放大器閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補(bǔ)償。

一般的電壓比較器采用四級(jí)結(jié)構(gòu)，前兩級(jí)和差分運(yùn)算放大器基本相同，只是把運(yùn)放中的補(bǔ)償電容去掉，后兩級(jí)使用CMOS反向器，這里的CMOS反向器的作用需要作一下說(shuō)明:前一個(gè)反向器(電壓比較器的第三級(jí))并不是工作在高低電平狀態(tài)，而是工作在傳輸特性曲線中的轉(zhuǎn)折區(qū)(接近闡值電壓)。被當(dāng)做放大器使用，對(duì)差分信號(hào)起放大作用;后一個(gè)反向器(電壓比較器的第四級(jí))在反向的同時(shí)，使電壓達(dá)到滿幅輸出。

典型的電壓比較器電路圖如下所示：

在上面的電路中，電壓比較器前兩級(jí)的元器件參數(shù)可以使用前面設(shè)計(jì)的放大器的參數(shù)，但有一點(diǎn)需要注意，那就是當(dāng)電壓比較器的兩個(gè)輸入端沒(méi)有差分信號(hào)時(shí)，需要將電壓比較器的第二級(jí)輸出調(diào)至能使第一個(gè)反向器工作在放大狀態(tài)的電壓，如果反向器中的PMOS管和NMOS管的參數(shù)對(duì)稱，即CMOS反向器的特性曲線上的轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)電壓(閡值電壓)是2.5V(高電平為5V，低電平為零)，對(duì)M6管的寬w(或長(zhǎng)1)進(jìn)行直流掃描，將反向器前第二級(jí)的電壓調(diào)整到2.5V，使反向器工作在需要的放大狀態(tài)。