电压比较器原理新解（之一）

电压比较器原理新解（之一）
——听咸老师说电子电路系列之二
 
电压比较器，三端元件（两输入端，一输出端），输入为模拟信号，输出为数字信号。
一、基本电路和相关定义
1、电压（电平）比较器的身份定义
电压比较器是一种用来比较两个或两个以上模拟电平，并给出比较结果（可用数字量的1、0来表示）的功能部件。可作为模拟电路和数字电路之间接口的一种电路，即模拟－数字转换器。
   所有运算放大器，均处于负反馈的闭环状态之下。一旦处于开环，因其无穷大电压放大倍数之故，势必使其输出级处于“饱和”或“截止”的两个极端状态，而不再具备放大器的特征。但在某些应用场合，恰恰需要利用放大器开环时输出级所表现出的这种极端状态，如将两个或两个以上模拟量输入量进行比较，将两者（或两者以上）的大小分别用高电平（逻辑1）和低电平（逻辑0）表示，以完成将电平差转换为数字表的转换。其输入、输出已不存在线性关系。如果有一种器件，是专业从事输入电压比较而输出开关量信号的，该器件就叫做电压比较器。
因而该类器件既不归属于线性（模拟）电路类别，也不归属于数字电路类别。从输入看，尚具备线性电路特点；从输出看，已为典型的数字电路特点。其身份尴尬：非线性模拟电路（又是一个矛盾性定义，既为模拟，又何来非线性？）。
   比较器有模拟和数字电路的两重特性，是集成了二者之长吗？与二者相比，各有什么特点？它们能否相互替代呢？

图1-1 比较器和数字电路、运放电路
1）反相器
以数字电路中的TTL产品中的反相器为例。反相器是如何识别输入信号的高、低电平呢？肯定有一个潜在的比较基准。器件典型供电Vcc为+5V，当输入电压低于1.5V（30%Vcc以下，比较基准之一）时，为输入低电平信号，此时输出端为高电平状态；当输入电压高于3.5V（60%Vcc以上，比较基准之二）时，为高电平信号输入，此时输出端为代电平状态；当输入信号在低于3.5V高于1.5V的范围之内，会引起识别混乱或无法识别，从而不能确定输出状态（因此这一输入电压范围也被称为非法信号）。
初步看来，反相器具有电压回差范围极大的滞回比较器特性，但1.5V和3.5V两个动作阈值是不能变动的，且在中间有“一大片”不确定区域。更谈不上动作精度，仅是大致范围。
显然，数字电路仅适用于对高、低电平的识别，而无法对输入模拟信号进行比较。
2）运放电路
在要求比较精度不是很严格的场所，一般运放电路也能暂时“充任”比较器的角色。而做为理想比较器：
a）比较动作阈值是稳定的，如10mV；
b）在该阈值控制下，输出端有确定的高、低电平变化。这要求运放电路有极大的电压放大倍数，以使输出级进入切实的饱和（或截止）状态。
如果使用运用电路来替代，由于器件的离散性，很难达到此两点要求（运放电路更适应于闭环工作）。
3）比较器
根据精确比较要求，采取了特定的技术措施，来专业从事电压比较“事务”的器件，即比较器。其优点如下：

有精确的比较动作阈值，10mV；

可以任意设置比较基准点，夸张点儿说，在供电电压范围以内的任意一个点，都可以设置为比较基准点，如0V地电平、0.45V、6.8V等，这在数字电路是无法做到的（图1-1中采用RP整定基准比较电压，就是为了说明这一点）。

输出端为确定的高、低电平状态，即输出级能实实在在的工作于饱和或截止状态（这是相关措施所保障的）。专用开路集电极输入型比较器，可以多路输出端并联输出，这是运放电路所根本无法做到的。
2、提出创意原理符号和简要定义
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1-2。本文专就这两种器件进行讲解。

图1-2 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。
3、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1-3 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1-3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1-3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1-3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1-4 电压比较器输出端电路形式
  图1-4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1-4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1-4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1-5 电压比较器基准电压的来源
如上图1-5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1-5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1-5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。

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咸庆信
2016年12月2日