【電氣百科】電壓比較器工作原理
2017-9-8 10:30:26??????點擊：
電壓比較器(以下簡稱比較器)是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、主動控制電路、測量技術(shù)，也可用于V/F改換電路、A/D改換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本文首要介紹其根本概念、作業(yè)原理及典型作業(yè)電路，并介紹一些常用的電壓比較器。
什么是電壓比較器
簡略地說， 電壓比較器是對兩個模仿電壓比較其大小(也有兩個數(shù)字電壓比較的，這兒不介紹)，并判別出其間哪一個電壓高，如圖1所示。圖1(a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。別的有電源V+及地(這是個單電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。
VA和VB的改動如圖1(b)所示。在時刻0～t1時，VA>VB;在t1～t2時，VB>VA;在t2～t3時，VA>VB。
在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽滿輸出);VB>VA時，Vout輸出低電平。依據(jù)輸出電平的凹凸便可知道哪個電壓大。
如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓改動依然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平改動與VA、VB的輸入端有關(guān)。
圖2(a)是雙電源(正負電源)供電的比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VB>VA時，Vout輸出飽滿負電壓。
如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱為參閱電壓、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參閱電壓是0V(地電平)，如圖3(b)所示，它一般用作過零檢測。
比較器的作業(yè)原理
比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路能夠看作是運算放大器的一種使用電路。因為比較器電路使用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。
圖4(a)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反應(yīng)電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當(dāng)于R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖4(b)的姿態(tài)，差分放大器處于開環(huán)狀況，它就是比較器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀況時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽滿電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大。
從圖4中能夠看出，比較器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀況的差分放大器電路。
同相放大器電路如圖5所示。如果圖5中RF=∞，R1=0時，它就變成與圖3(b)一樣的比較器電路了。圖5中的Vin相當(dāng)于圖3(b)中的VA。
比較器與運放的差別
運放能夠做比較器電路，但功能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應(yīng)速度更快)。別的，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需求接一個上拉電阻或許直接驅(qū)動不同電源電壓的負載，使用上愈加靈敏。但也有一些比較器為互補輸出，無需上拉電阻。
這兒順便要指出的是，比較器電路自身也有技術(shù)指標(biāo)要求，如精度、響應(yīng)速度、傳達延遲時刻、靈敏度等，大部分參數(shù)與運放的參數(shù)相同。在要求不高時可選用通用運放來作比較器電路。如在A/D改換器電路中要求選用精細比較器電路。
因為比較器與運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)根本相同，其大部分參數(shù)(電特性參數(shù))與運放的參數(shù)項根本一樣(如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等)。
比較器典型使用電路
這兒舉兩個簡略的比較器電路為例來闡明其使用。
1.散熱電扇主動控制電路
一些大功率器材或模塊在作業(yè)時會發(fā)生較多熱量使溫度升高，一般選用散熱片并用電扇來冷卻以保證正常作業(yè)。這兒介紹一種極簡略的溫度控制電路，如圖7所示。負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率器材的溫度(散熱片上的溫度要比器材的溫度略低一些)，當(dāng)5V電壓加在RT及R1電阻上時，在A點有一個電壓VA。當(dāng)散熱片上的溫度上升時，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度改動曲線盡管線性度并不好，可是它是單值函數(shù)(即溫度必守時，其阻值也是必定的單值)。如果我們設(shè)定在80℃時應(yīng)接通散熱電扇，這80℃即設(shè)定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80℃時對應(yīng)的RT的阻值。R1的阻值是不變的(它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度改動不大時可認為R1值不變)，則能夠核算出在80℃時的VA值。
R2與RP組成分壓器，當(dāng)5V電源電壓是安穩(wěn)電壓時(電壓安穩(wěn)性較好)，調(diào)理RP能夠改動VB的電壓(電位器中心頭的電壓值)。VB值為比較器設(shè)定的閾值電壓，稱為VTH。
設(shè)計時期望散熱片上的溫度一旦超越80℃時接通散熱電扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80℃時的K值。一旦VA>VTH，則比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱電扇(直流電機)得電作業(yè)，使大功率器材降溫。VA、VTH電壓改動及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這兒要說清楚的是在VA開端大于VTH時，電扇作業(yè)，但散熱體有較大的熱量，要通過必守時問才能把溫度降到80℃以下。
從圖7可看出，要改動閾值溫度TTH非常便利，只需相應(yīng)地改動VTH值即可。VTH值增大，TTH增大;反之亦然，調(diào)整非常便利。只需RT斷定，RT的溫度特性斷定，則R1、R2、RP可便利求出(設(shè)流過RT、R1及R2、RP的電流各為0.1～0.5mA)。
2.窗口比較器
窗口比較器常用兩個比較器組成(雙比較器)，它有兩個閾值電壓VTHH(高閾值電壓)及VTHL(低閾值電壓)，與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個比較器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout輸出高電平;若VAVTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個冰箱報警器電路。冰箱正常作業(yè)溫度設(shè)為0～5℃，(0℃到5℃是一個“窗口”)，在此溫度范圍時比較器輸出高電平(表明溫度正常);若冰箱溫度低于0V或高于5℃，則比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器(μC)作報警信號。
溫度傳感器選用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0℃時阻值為333.1kΩ;5℃時阻值為258.3kΩ，則按1.5V作業(yè)電壓及流過R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值斷定后，可核算出0℃時的VA值為0.5V(按圖10中R1=665kΩ時)，5℃時的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設(shè)R2=665kΩ，則按圖11，可求出流過R2、R3、R4電阻的電流I=(1.5V-0.5V)/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=(R3+R4)0.0015mA， 則可求出R3=53.3kΩ。
本例中兩個比較器選用低作業(yè)電壓、低功耗、互補輸出雙比較器LT1017，無需外接上拉電阻。
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