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第11课 低速和高速电压比较电路
1．电压比较器基础
所谓电压比较器，就是一种用来比较输入信号电压大小的电子电路，变化的、随机的输入信号跟另一个端的参考电压进行比较，使输入信号转换成只有高电平或低电平的输出信号，当输入信号电压等于参考电压 (即阈值) 时，输出状态发生翻转。它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波。电压比较器常用于报警器电路、自动控制电路，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。
如图1所示为最基本的电压比较器和其电压传输特性图。运放A的两个输入端的一个端子为阈值电压端UT，另一端作为信号输入端ui。将信号电压与阈值电压相比较，当信号电压小于阈值电压时，输出高电平，反之输出低电平，由此得到如图1的电压传输特性曲线。
图1 基本电压比较器及其电压传输特性曲线
在图1基础上，增加限幅保护电路、引入正反馈去影响阈值电压值等措施就可得到以下几种常见的电压比较器。这三种比较器的电压传输特性如图2所示。
（1）过零比较器：单限比较器中的一种，阈值电压参考端接地，即阈值为零，输入信号每过零电位时，输出发生跃变。其特点是对阈值电压很灵敏，抗干扰能力差。
（2）滞回比较器：利用正反馈来影响原来的阈值电压，使阈值电位与此时的输出状态有关，从而消除在原来的阈值电位附近输入信号由于受干扰而产生的空翻现象。其特点是电路有两个阈值电压UT1和UT2，具有滞回特性，因此，抗干扰能力强。
（3）双限比较器：由两个单限比较器组成，也称为窗口比较器，电路也有两个阈值电压UT1 和UT2，可以将输入信号按需要范围进行选取。其特点是输入电压单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。
图2 三种电压比较器的电压传输特性
2．低速电压比较器电路设计
电压比较器实际上就是集成运放在非线性状态下的具体应用，集成运放工作在非线性区时，两个输入端谁的电位高，输出就反映谁的特征，这是构成电压比较器的理论基础。集成运放能实现这一点的关键就是取决于该集成运放优良的性能，即开环电压放大倍数无穷大，但是实际运放的开环电压放大倍数不可能无穷大，而且稳定运放运行所需的相位补偿意味着把运放用作比较器时其速度会非常的低，因此只有在频率低的情况下，运放才可以用作电压比较器。
在任意电平比较器中，如果将集成运放的输出电压通过反馈支路加到同相输入端，形成正反馈，就可以构成滞回比较器。滞回比较器是使用频率最高的一种比较器类型，如图3所示是运放组成的滞回比较器电路原理图。
图3 运放组成的滞回比较器电路
使用通用运放LM324芯片，采用单电源5V供电，电路图中R1为限流电阻，R4为负载电阻。理论计算阈值电压UT为
(1) 根据原理图连接电路测试，输入100Hz和25kHz、1Vpp的正弦波，其测试波形分别如图4和图5所示。 图4 100Hz的测试波形 图5 25kHz的测试波形 从测试波形图可以看出电压比较器输出的高电平值并非是电源电压值，实际上是由芯片内部输出的最大幅度决定；通用运放在低频时能够及时比较出高低电平，但是随着频率增加，运放的延迟时间已经跟不上了，波形就会出现如图5所示的比较明显的梯形波。所以一般运放用作比较器时只适合应用在低频范围。 当然也可以使用通用比较器芯片（如LM311）设计低频比较器电路，这里不再说明。 3．高速电压比较器电路设计 高速电压比较器为了提高速度进行了优化，这种优化却减小了闭环稳定的范围。因此，高速电压比较器可以提供极短的时间延迟，但其频响特性受到一定限制；另外，许多比较器还带有内部滞回电路，这就避免了输出振荡问题，所以专用电压比较器一般不能当作运放使用。 以TL3016为例说明高速电压比较器电路的设计过程。TL3016是一款来自TI公司的超快、低功耗、精密的比较器芯片，其引脚如图6所示。芯片可以单5V或者±5V电源供电，具有同相和反相两种输出形式，带输出锁存功能（LATCH ENABLE引脚为高电平锁存），传播延迟仅为7.6 ns（典型值）。 图6 TL3016的引脚图 如图7所示，为TL3016构成的滞回比较器电路。通过该电路，可将输入的不同类型、不同频率（最高可达20MHz）、不同幅值（最大为5V）的周期信号整形成矩形波。TL3016对低频正弦波信号整形时，输出边沿抖动较为严重，将会影响输出信号质量。因此在电路中加入正反馈，加速信号边沿，同时形成滞环，可有效消除抖动。本滞回比较器的阈值电压约等于147mV（5×10/(10+330)）。电路中，R2为正反馈电阻，取值不应太小，取值过小波形边沿容易产生振荡；电阻R3为限流电阻；电阻R4为输出匹配电阻，取值≥33Ω。 图7 TL3016滞回比较器电路 根据原理图连接电路测试，输入100kHz和2MHz、1Vpp的正弦波，其测试波形分别图如图8和图9所示。 图8 100kHz的测试波形 图9 2MHz的测试波形 由测试波形图可以看出高速比较器TL3016具有超快的传播延迟，信号在2MHz以内仍能够很好地将输入信号进行比较整形。
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