原创 信号链基础知识之模拟电压比较器

        如今，模拟电压比较器在测量与控制等电路中已经有着广泛的应用，其中被测的输入电压信号大都是经过传感器转变而来的现实模拟信号，而输出则只有两种可能：高电平或者低电平。

        对于模拟电压比较器而言，首先必须得明确一个最核心的principle：

（注：Assume此运放为双电源供电，且值为+Uom和-Uom）

a）当输入端V+>V-时，输出电压Uomax接近于+Uom； 

b）当输入端V+<V-时，输出电压Uomin接近于-Uom；

        为什么要说是“接近于”呢？原因在于：其实由于受到运放内部输出结构的限制，真正的“轨到轨”是不可能实现的。

Moreover，实际运用的运放并非开环增益是无穷大的，所以，运放工作状态从线性区进入非线性区必定是需要一定时间的，上图已体现出来了这一点。

        模拟电压比较器常见的有三种类型，下面分别简要介绍。

1、单限比较器（Single limit comparator）：

        运算放大器的开环增益值一般都是极大的，开环状态时只要两个输入端电压有微小的不同，即可导致运放的输出正向饱和或者负向饱和。所以，如上图所示，若ui稍微偏离阈值电压，则输出便可迅速达到Uomax或者Uomin。这说明它对于外界电压信号是非常“敏感”的，以致于一个随机噪声的引入即可轻易使得比较器发生意料之外的误动作。

        关于这个问题，一方面可以在参考电压的电势点处并联一个LPF，以降低噪声信号对比较器的干扰；另一方面，可以设计一个滞回电压比较器，利用它的滞回特性来有效解决。

2、滞回比较器（Hysteresis comparator）：

        从我画的这个简图容易清晰地看出，Uo从Uomin跃变为Uomax和Uo从Uomax跃变为Uomin的阈值电压不像单限比较器那样是同一个，这里滞回电压比较器有两个阈值电压（即-UT和+UT）。

        需要特别指出的是；由于滞回比较器电路中引入了一个正反馈，就如同触发器的原理那样，输出电压Uo的跃变速度比单限比较器要快得多，为此我特意把简图中的跃变斜率加大了，以体现出这个差别。从图中还可看出，当输入信号处于（-UT，+UT）区间时，输出电压是不会产生跃变的，也就是说，滞回比较器的抗干扰能力提高了，可以避免输入的检测电压有一些噪声电压时，使得输出发生误动作；however，它的灵敏度却不如单限比较器了。

3、窗口比较器（Window comparator）：

        窗口比较器可以检测一个电压信号是否在一定的区间范围内，若超出了这个范围则可以引入相关的措施得以修正。

        电压比较器常见的输出结构有两种：集电极开路（或漏极开路）和互补式输出结构。实际电路设计时，可以适当设置输出结构的参数值，以获得合适的UoH和UoL（关于这两种输出结构的介绍，可以参考：http://blog.ednchina.com/ZHOUNACHU/1904635/message.aspx）。不建议在输出端简单地加上稳压管限幅电路，因为齐纳稳压管本身的噪声就比较大，不利于精度要求高的场合。

        为了保护运放的输入端，并联两个反向的二极管的确是一个明智之举，however，不能忘记了限流，否则功率过大的话，会容易把二极管给烧了，最好是在输入电压电势点和二极管之间串联一个合适阻值的电阻。当然输出端也一样要注意这个问题，需时刻注意功率过大的所带来的后果。有些情况下还需要更加特别的对待输入端的设置，例如LM393，这个集成芯片的输入端负向电压波动只能限制在-0.3V以内，面对这个问题，可以用下面方法来处理：

        本文小结：虽然模拟电压比较器相对而言不复杂，但是它确实有着非常重要的作用，并且还是很多电路的基本组成单元，如PWM电路、线性稳压器电路等。这些得需要依靠做项目、实践调试才行，只有这样才能更好的认识模拟电压比较器并加以运用。