电压比较器的电路构成

接线图 2023年07月21日 22:46 242 admin

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。

电压比较器的电路构成第1张
图1 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。

电压比较器的电路构成第2张
图2 电压比较器输出端电路形式
图2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2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2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。

电压比较器的电路构成第3张
图3 电压比较器基准电压的来源
如上图3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3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3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。