比较器的工作原理及作用（比较器的工作原理）

电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。可用于报警电路、自动控制电路、测量技术、V/F转换电路、A/D转换电路、高速采样电路、电源电压监控电路、振荡器和压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理和典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。

什么是电压比较器？

简单来说，电压比较器比较两个模拟电压(也有两个数字电压，这里不介绍)的大小，确定哪一个更高，如图1所示。图1(a)是比较器，其具有两个输入端：非反相输入端(“”)和反相输入端(“-”)，以及输出端Vout(输出电平信号)。另外还有电源V和地(这是单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端VB。和VA VB在图1(b)中示出。从时间0到t1，va”VB；从t1到T2，VB“VA；从T2到弗吉尼亚州T3。这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：当va VB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VB”VA，Vout输出低电平。根据输出电平可以知道哪个电压更高。

如果VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA和VB的电压变化仍然如图1(b)所示，那么Vout的输出如图1(d)所示。与图1(c)相比，其输出电平被反转。输出电平的变化与VA和VB的输入端有关。

图2(a)是由双电源(正负电源)供电的比较器。如果其VA和VB输入电压如图1(b)所示，其输出特性如图2(b)所示。VB》VA，Vout输出饱和负电压。

将输入电压VA与固定电压VB进行比较，如图3(a)所示。VB称为参考电压、参考电压或阈值电压。如果这个参考电压是0V(地电平)，如图3(b)所示，它通常用于过零检测。

比较仪的工作原理

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。因为比较器电路被广泛使用，所以开发了专用的比较器集成电路。

图4(a)由运算放大器组成的差分放大电路，其中输入电压VA由分压器R2、R3分压后连接到同相端，VB通过输入电阻R1连接到反相端，RF为反馈电阻。如果不考虑输入失调电压，输出电压Vout与VA、VB和四个电阻的关系如下：

R3/(R2 R3)VA-(RF/R1)VB .如果R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。Vout=当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=(相当于R3、RF开路)。增益变得无限大。

它的电路差分放大器处于开环状态，就是比较器电路。实际上，当运算放大器处于开环状态时，它的增益不是无穷大，而Vout的输出是饱和电压，小于正负电源电压，不可能无穷大。

从图4中可以看出，比较器电路是具有开环状态的运算放大器电路的差分放大器电路。

同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=，R1=0，则它与图3(b)中的比较器电路相同。图5中的Vin相当于图3(b)中的va。

比较器和运算放大器的区别

运算放大器可以用作比较器电路，但性能更好的比较器比一般的运算放大器具有更高的开环增益、更小的输入失调电压、更宽的共模输入电压范围和更高的压摆率(使比较器响应更快)。此外，比较器的输出级通常采用集电极开路结构，如图6所示。需要外接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用更加灵活。然而，有些比较器是互补输出，不需要上拉电阻。

顺便说一下，比较器电路本身具有技术要求，例如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等。大多数参数与运算放大器的参数相同。当要求不高时，一般运算放大器可以用作比较器电路。例如，在模数转换器电路中需要精密的比较器电路。

由于比较器和运算放大器的内部结构基本相同，其大部分参数(电特性)与运算放大器基本相同(如输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等。).

比较器的典型应用电路

这里以两个简单的比较器电路为例来说明它们的应用。

冷却风扇自动控制电路

一些大功率器件或模块在工作时会产生更多的热量来提高温度。一般都是用散热片，用风扇冷却，保证正常工作。这里介绍一个非常简单的温度控制电路，如图7所示。负温度系数(NTC)热敏电阻RT贴在散热片上，检测功率器件的温度(散热片上的温度略低于器件的温度)。当对RT和R1电阻施加5V电压时，a点有电压VA，当散热片上的温度升高时，热敏电阻RT的电阻值降低，VA增加。RT的温度特性如图8所示。虽然它的电阻-温度曲线线性不好，但它是一个单值函数(即温度不变时，它的电阻也是某个单值)。如果我们设定冷却风扇要在80开启，这个80就是设定的阈值温度TTH，在特性曲线上可以找到80时对应的RT电阻值。R1的电阻值是恒定的(安装在电路板上，环境温度变化不大时，R1的值可以认为是恒定的)，那么就可以计算出80时的VA值。

它与RP构成一个分压器。当5V电源电压为稳定电压(电压稳定性好)时，调节RP可以改变VB的电压(电位器中心头的电压值)。VB的值是比较器设置的阈值电压，称为VTH。

设计中希望一旦散热片上的温度超过80，就开启冷却风扇实现冷却，VTH的值应该等于80时K的值。一旦VA“Vth”，比较器输出低电平，继电器K接通，冷却风扇(DC电机)通电，使大功率器件得到冷却。图9示出了VA和VTH的电压变化以及比较器输出电压Vout的特性。这里要明确一点，当VA开始大于VTH时，风扇是工作的，但是散热器的热量很大，温度降到80以下需要一定的时间。

只要相应地改变VTH的值，改变阈值温度TTH是非常方便的。随着VTH的增加，TTH增加；反之亦然，调节非常方便。只要确定RT，确定RT的温度特性，就可以很容易地计算出R1、R2、RP(假设流过RT、R1和R2、RP的电流分别为0.1 ~ 0.5 Ma)。

窗口比较器

窗口比较器通常由两个比较器(双比较器)组成，有两个阈值电压VTHH(高阈值电压)和VTHL(低阈值电压)。与VTHH和VTHL相比较的电压VA被输入到两个比较器。如果VTHLVAVTHH，Vout输出高电平；如果VA 《VTHL，VA》 VTHH，则Vout输出低，为冰箱报警电路。冰箱的正常工作温度设置为0 ~ 5 (0到5是一个“窗口”)。在这个温度范围内，比较器输出高电平(表示正常温度)；如果冰箱温度低于0V或高于5，比较器输出低电平，低电平信号电压输入到微控制器(C)作为报警信号。

温度传感器采用NTC热敏电阻RT，0时电阻值为333.1 k。当5时电阻值为258.3 k，根据1.5V的工作电压和流过R1、RT的电流约为1.5UA可以计算出R1的值，确定R1的值后，可以计算出0时的VA值为0.5V(图10中R1=665k时)，5时的VA值为0.42V，则VTHL=0.42V，若R2=60则VTHH=0.5V