一、比較器的定義和原理

比較器是能夠實現比較兩個輸入端的電流或電壓的大小這一功能的電路或者裝置。它有兩個輸入端Vi+和Vi-，一個輸出端Vout。輸入端接的是模擬信號，輸出端輸出是的數字信號，輸出要么是高要么就是低，具體的高電平是任意由外接的電壓幅值來決定的。

圖1 比較器的符號

選擇其中輸入端作為參考點（REF)來進行比較，例如選擇同相輸入端V2作為參考,當反相輸入端V1大于V2時,Vout輸出低電平;當V1小于V2時,Vout輸出高電平。由此可知輸出端的狀態代表著兩個輸入之間的凈差的符號,參考電壓V2則稱為比較器的閾值電壓UT。由于比較器實際上是1位數模轉換器(ADC),因而是ADC中的一個基本元件。

電壓比較器的輸出電壓uo與輸入電壓ui的函數關系稱為其電壓傳輸特性，即uo=f?(ui)。由于比較器與開環下的集成運放特性比較相似，不妨先回顧下運放的電壓傳輸特性，如圖2所示。

圖2 運放的電壓傳輸特性

比較器的電壓傳輸特性與運放的區別主要在于由于比較器是開環輸出，沒有負反饋也沒有相位補償，因此其翻轉速度比運放快。其次，由于比較器一般為開集輸出，因此其輸出高電平電壓不由電源軌而是由外電路決定。一般如果忽略其翻轉的時間，其電壓傳輸特性近似如圖3。

圖3 比較器的電壓傳輸特性

除了上文提到的輸出高低電平UOH&UOL、閾值電壓UT之外，比較器電壓傳輸特性還有第三大要素——ui變化且經過UT時uo躍變的方向。圖4表明參考電壓加在反相端和同相端時輸出電壓躍變方向是相反的。

圖4 參考電壓分別加在反相端(左)和同相端(右) ?

下圖所示為TI某比較器的原理圖，可以發現輸入級采用的也是差分放大電路，而輸出級與運放有所不同——采用的集電極開路的形式。

圖5 TI某比較器的原理圖(來自官網的datasheet)

二、比較器與運放的聯系和區別

1.結構上的區別

1）相較于運放采用推挽輸出的方式，比較器采用開集輸出，需要加上拉電阻。

圖6 比較器輸出上拉

2）比較器為了加快響應速度，中間級很少，也沒有內部的頻率和相位補償。如圖4，可以發現該比較器沒有中間級而僅有輸入級和輸出級。

2.開環與閉環

運放一般工作在閉環負反饋狀態（線性區），主要作用是對輸入端信號進行放大；比較器工作在開環狀態（非線性區），主要是對輸入端的信號進行比較判別，翻轉速度比較快。

在對速度要求不高的時候，運放可以工作于開環當做比較器使用，但輸出會受到電源軌的限制因此需要注意電平匹配問題。反過來電壓比較器在大部分情況下不能作為運放使用，主要是由于比較器沒有做相位補償閉環容易不穩定。

3.輸出信號的形式與響應速度

1)相較于運放輸出的是模擬信號，比較器輸出的是高低電平對應數字的0和1，集電極開路使其可兼容TTL或CMOS。

2)相較于運放，比較器的響應速度比較快，這也是由于其內部沒有做相位補償的緣故。

三、比較器的應用

1.過零比較器

過零比較器就是將參考電壓設置為Uref=0

圖7 過零比較器（反相端作為參考）圖8 過零比較器（同相端作為參考）

2.滯回比較器

對于上述簡單的比較器，當兩個輸入端信號極為接近時，由于輸入電壓的毛刺就會導致輸出產生連續跳變，這就是所謂的振鈴效應。為了解決這個問題人們設計了滯回比較器，由于滯回比較器的輸入電壓逐漸增大或者減小時，有兩個不相等的閾值，其傳輸特性具有滯回曲線的形狀，因此具有很強的抗干擾能力。滯回比較器可以分為上行滯回(即同相輸入，反相參考)和下行滯回(即反相輸入，同相參考), 根據參考電壓是否為零又可分為有參考電壓的和無參考電壓。

圖9 上行滯回比較器（不帶參考電壓）

圖10 下行滯回比較器（不帶參考電壓）

圖11? 上行滯回比較器 (帶參考電壓)

圖12? 下行滯回比較器 (帶參考電壓)

3.窗口比較器

采用了兩個并聯的比較器來確定信號是否介于兩個參考電壓之間。輸入信號只有在這兩個閾值之間時才會被認為是有效的信號。若輸入信號高于上限或低于下限，則窗口比較器會發出警報或觸發相應的邏輯電路。具體作用如下：

檢測輸入信號：窗口比較器可以對輸入信號進行實時監測，并判斷該信號是否在指定的閾值范圍內。這種功能在許多自動控制系統和傳感器中都需要使用到，例如在溫度、壓力、光強等方面的測量。

限幅效應：窗口比較器可以提供限制輸入信號幅值的效果，當輸入信號超出預設的上限或下限時，輸出信號將發生變化。這種功能可以在模擬信號處理、音頻處理和視頻信號處理中得到廣泛應用。

信號觸發：窗口比較器還可以被用作信號觸發器，當輸入信號進入或離開預設的閾值范圍時，輸出信號將觸發相關的事件或過程。這種功能可用于電子設計、機器人控制和自動化流程等領域。

圖13 窗口比較器原理圖

簡單分析不難發現上面原理圖中比較器窗口對應的兩個閾值分別為1/3*VCC和2/3*VCC。如果信號處于窗口范圍內，則輸出高電平。如果信號電平超出窗口范圍，則輸出低電平。如下圖所示。

圖14? 窗口比較器瞬態仿真結果

4.AD轉換

除上述三種經典用法之外，比較器還可以作為ADC中的一個典型元件。例如在比較器的一個輸入端連接磁性傳感器或光電二極管，另一輸入端接參考電壓，用傳感器驅動比較器的輸出端產生合適驅動邏輯電路的高低電平。

圖15 光敏電阻模數轉換典型電路圖

　　審核編輯：湯梓紅