运放专题：电压比较器

电压比较器

电压比较器中的的集成运放通常工作在非线性区，即开环状态或者正反馈状态。
对于理想集成运放，由于差增益无穷大，只要微小的净输入电压就足以使集成运放输出达到饱和电压或反向饱和电压，当Up > Un 时，运放输出端输出高电平(正的最大值)，当Up < Un时，运放输出端输出低电平（负的最大值），即输出电压Uo与输入电压（Up-Un）不再是线性关系，这就是电压比较器的工作原理。

理解：运放被制造出来就是用来放大同相端和反相端的电压差，由于处于开环或者正反馈，放大倍数无穷大，即使很小的电压差也会被放大到饱和，Up >Un时，Up-Un > 0，这个大于0的电压值放大无穷大倍后就接近正电源电压，视为高电平。Up <Un时，Up-Un< 0，这个小于0的电压值放大无穷大倍后就接近负电源或GND，视为低电平。

除了专用的比较器，如LM393 外，部分集成运放如LM324都可以作为比较器来使用。

单限过零比较器

来看下用LM324搭建的单限过零比较器：

VS1设置直流参数扫描，-5V~+5V，看下它的传输特性：双电源供电，以0V 为转折点，高电平输出为4.02V,低电平输出为-5.02V

单限非过零比较器

在单限过零比较器的基础上，在反向输入端加入2V的直流偏置：

VS1设置直流参数扫描，-5V~+5V，看下它的传输特性：双电源供电，以2V 为转折点，高电平输出为4.02V,低电平输出为-5.02V

滞回比较器

一、单限比较器只有一个阈值电压，输入电压Ui逐渐增大或减小的过程中在阈值电压处输出电压发生越变，，这一类比较器具有结构简单，灵敏度高等优点，但抗干扰能力差，，若输入电压在阈值电压附近产生任何微小的变化都将引起输出电压的越变，为了克服这一缺点，实际应用中常采用滞回比较器。

1、反相输入迟滞比较器
K=±R2/(R2+R3)

2、同相输入迟滞比较器

3、结合同相，反相，在一段加入参考电压

滞回电压比较器有两个阈值电压，输入电压增加时的门限值与输入电压减小时的门限电压值不同，电路只对某一个方向变化的电压敏感，如此提高抗干扰能力。滞回比较器的电路中引入了正反馈。
前面说了单限比较器的灵敏度比较高，那高速比较芯片搭建的单限的灵敏度岂不是更高啊！
带着这个问题，我们先来看下TLV3501这款比较器芯片的数据手册：它是一款轨到轨高速比较器。

我们实际仿真下，这款运放在接成单限比较器的情况下是否会应为灵敏度太高而导致输出结果不稳定，看图：
VG1 实际输入有用信号幅值4V,频率50Hz正弦波
VG2 模拟干扰线号幅值500mV 频率1Kz正弦波（为了实验效果明显，这里用了较大的干扰信号）
电源：单电源供电
结构：单限过零比较器

来看下仿真波形：可以比较明显的看出输出波形在过零时存在多次电平翻转的情况，这就是由于干扰信号的存在，使比较器在阈值电压0v左右抖动，加之TLV3501又是一款高速比较器，才会出现仿真所示的问题。

看不清楚的话，来个特写，当前是把其他不需要的波形给删除了，只留运放同相输入端的波形及输出端的波形：这样看是不是就比较容易理解为什么在阈值电压附近输出电平会多次翻转了呢？哈哈哈

然而本节所要讲的滞回比较器就可以很好的解决这类问题。解决方案：引入正反馈，构成迟滞比较器（滞回比较器）
搭建如下图所示的电路：

接下来再看下仿真的波形，看是否依然存在上面仿真中出现的情况：
很明显，电路搭建成滞回比较器模式，振荡问题得到了根本的解决，所以在实际应用电路中比较器电路常接成滞回比较器模式，这样使电路的抗干扰能力变强。

二、仿真验证完毕，我们在一起来分析下滞回比较器是如何增强电路的抗干扰能力的。
分析：
1、我搭建的这种滞回比较器电路，同相端是信号输入端，而反向输入端接地，作为比较器参考端，所以比较器是以0V为界限比较后输出。

2、当运放同相端输入电压Up小于阈值电压 0V时，运放输出端由高电平变为低电平，由于反馈回路的存在，此时Up点的电压在输入信号和输出的低电平信号的共同作用下会稍有变小（减小量记作：ΔUp1）（至于变小多少取决于你反馈电阻的选择）。即使此时由于干扰信号的存在使Up点的电压有所增大（增大量记作：ΔUp2），这时只要保证ΔUp1 > ΔUp2 ，即减小量大于增加量时，依旧能够保证Up点的电压是小于阈值电压0V的，这样输出电平就依然保持为低电平，不会发生多次翻转，从而不受干扰信号干扰。同理由于干扰信号的存在使Up点的电压变得更低时，使得Up点的电压小于阈值电压0V的，这时输出电平就理所当然的依然保持为低电平了。

3、当运放同相端输入电压Up大于阈值电压 0V时，运放输出端由低电平变为高电平，由于反馈回路的存在，此时Up点的电压在输入信号和输出高电平信号的共同作用下会稍有变大（增大量记作：ΔUp3）（至于变大多少取决于你反馈电阻的选择），即使此时由于干扰信号的存在使Up点的电压减小（减小量记作：ΔUp4），这时只要保证ΔUp3> ΔUp4,，即增加量大于减小量，依旧能使Up点的电压是大于阈值电压0V的，这样输出电平就依然保持为高电平，不会发生多次翻转，从而不受干扰信号干扰。同理由于干扰信号的存在使Up点的电压变得更高时，使得Up点的电压是大于阈值电压0V的，这时输出电平就理所当然的依然保持为高电平了。

三、细心的你可能会发现为什么我搭建的这种模式的滞回比较器只在高电平跳变为低电平的时候才会出现输出电平多次跳变，而由低电平变跳变为高电平的的时候却没有出现输出电平多次跳变呢？

这其实也是一种偶然情况，还拿上面的电路来说：
其他条件不变，把干扰信号的频率有原来的1KHz变成2KHz ,接成单限电压比较器（无正反馈）：

来看看这种情况下的仿真波形：
可以很明显的看出，现在上升沿和下降沿都出现了多次跳变。

引入正反馈，但由于干扰信号太大（500mV），还是会出现跳变的问题：

出现这种问题，只能是引入的正反馈不足以抵消这下干扰，加大电阻R3的值即可：这里把R3阻值调整为200欧。
看电路：
再看看仿真波形，跳变问题得到了解决。

总结：依据干扰信号大小，来选取反馈电阻。

四、前面分析了我搭建的这种模式比较器的工作原理，接下来我们简单分析下手册中给出的电路的工作原理，跟上面基本一个道理。

分析：
1、手册搭建的这种滞回比较器电路，反相端是信号输入端，而同相输入端为比较器参考端REF。

2、Vout输出高电平，意味着此时 VIN < Up ，在输出的高电平和VREF的共同作用下，抬升了Up点的电压，这是即使 VIN由于某种原因增大，也大不过已经被抬升的Up,所以输出端维持高电平。

3、Vout输出低电平，意味着此时 VIN > Up ，在输出的低电平和 VREF的共同作用下，降低了Up点的电压，这是即使 VIN 由于某种原因减小，也小不过已经被降低的Up,所以输出端维持低电平。

窗口比较器

窗口比较器就是将两个单限比较器组合在了一起，分析原方式及原理同单限比较器.
下图为一个窗口比较器：
上限阈值为3V
下限阈值为0V
VS1输如信号进行直流参数扫描-5V~5V,下图为窗口比较器的传输特性曲线：