比較器原理詳解

概念

比較器，具有兩個(gè)模擬電壓輸入端UIN+和UIN-，一個(gè)數(shù)字狀態(tài)輸出端UOUT，輸出端只有兩種狀態(tài)，用以表示兩個(gè)輸入端電位的高低關(guān)系：

UH代表高電平，UL代表低電平，具體的電位值，取決于系統(tǒng)的定義。常見(jiàn)的數(shù)字系統(tǒng)中，3.3V代表高電平，0V代表低電平；也有12V/5V代表高電平，0V代表低電平。

高低電平的本質(zhì)：可以明顯區(qū)分的電位。

實(shí)現(xiàn)比較器的方法：

專門(mén)的比較器

運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器（不推薦）

用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器

用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)比較器，局限性較大，一般不被建議，在要求不高的場(chǎng)合，運(yùn)放可作為比較器。

簡(jiǎn)單的運(yùn)放比較器

作比較器應(yīng)用時(shí)，一般都是將一個(gè)輸入端接成固定電位，稱為基準(zhǔn)，用UREF表示，用另一個(gè)輸入端接被測(cè)電位uI，用于衡量被測(cè)電位與基準(zhǔn)的關(guān)系。

該圖為理想運(yùn)放與其輸入輸出關(guān)系。圖中輸出只有兩種狀態(tài)：UH和UL。

用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的比較器，具有極高的開(kāi)環(huán)增益（不是工作在負(fù)反饋狀態(tài)下）：

當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，兩者的差乘以開(kāi)環(huán)增益，一般都會(huì)超過(guò)正電源電壓，而使實(shí)際運(yùn)放輸出為正電源電壓（軌對(duì)軌運(yùn)放）。

當(dāng)輸入電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，兩者的差（負(fù)值）乘以開(kāi)環(huán)增益，一般都會(huì)低于負(fù)電源電壓，而使運(yùn)放的實(shí)際輸出為負(fù)電源電壓。

實(shí)際比較器

該曲線中的紅色虛線區(qū)域?yàn)楸容^器的不靈敏區(qū)。發(fā)生在輸入電壓非常接近基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出是一個(gè)不確定的值。理想運(yùn)放組成的比較器，不靈敏區(qū)為0.

這里有個(gè)思考的問(wèn)題：不靈敏區(qū)越小越好或者說(shuō)比較器越靈敏越好嗎？

關(guān)于比較器的靈敏度問(wèn)題

對(duì)于一個(gè)過(guò)于靈敏的比較器，往往會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)麻煩。因?yàn)槿粘Ｉ畹妮斎?a target="_blank">信號(hào)，它并不是一個(gè)理想的信號(hào)，它是包含噪聲信號(hào)的。

將圖中藍(lán)色區(qū)域展開(kāi)，可發(fā)現(xiàn)：對(duì)于一個(gè)非常靈敏的比較器，噪聲信號(hào)是波動(dòng)的，經(jīng)常會(huì)在某個(gè)點(diǎn)低于基準(zhǔn)點(diǎn)，從而使比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這就形成了有點(diǎn)所示的很多較小時(shí)間的脈沖。而這往往是不準(zhǔn)確的。

舉個(gè)例子：生活中有些場(chǎng)所是有人員限制的，在進(jìn)出口安裝紅外發(fā)生器和接收器，一旦有人經(jīng)過(guò)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，但是給與比較器判斷的信號(hào)是有干擾的，如果明明進(jìn)去一個(gè)人，但是像右圖所示產(chǎn)生了7個(gè)脈沖，判斷有7個(gè)人進(jìn)去了，這是不準(zhǔn)確的。我們可以通過(guò)軟件編程的方式判斷脈沖的時(shí)間，過(guò)小的時(shí)間不可能進(jìn)去一個(gè)人，從而剔除干擾信號(hào)；也可以在模擬電路階段采取遲滯比較的方式來(lái)剔除。

如果把基準(zhǔn)電壓從單個(gè)變成兩個(gè)呢？只有一個(gè)基準(zhǔn)電壓，稱為單門(mén)限比較器；

遲滯比較器

如圖所示：兩個(gè)黃線表示兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，可以看出右邊黃線區(qū)間內(nèi)的噪聲信號(hào)被濾除了，雖然這種情況還是存在噪聲干擾，但是明顯比單門(mén)限好得多。這兩個(gè)基準(zhǔn)電壓越接近，效果就越接近單門(mén)限的效果。

原理：

隨著輸入電壓逐漸增大，工作點(diǎn)沿著紅色線一直向右移動(dòng)，到達(dá)B點(diǎn)，輸入電壓大于kVCC，此時(shí)運(yùn)放的正輸入端電壓小于負(fù)輸入端電壓，輸出變?yōu)?VEE，即從B點(diǎn)處紅色跌落。此時(shí)，比較基準(zhǔn)立即改變：由原先的kVCC變?yōu)?kVEE。這就表示：此時(shí)就算輸入電壓發(fā)生輕微的逆向翻轉(zhuǎn)，比較器也不翻轉(zhuǎn)。

圖中：假設(shè)從A開(kāi)始，到B點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，到C點(diǎn)，紅色線一直向右，然后以綠色線回轉(zhuǎn)到達(dá)kVCC處，比較器不翻轉(zhuǎn)，沿著綠色線一直到D點(diǎn)，才回到A點(diǎn)（重新回到高電平）。

拓展：

這個(gè)比較器的輸出狀態(tài)，不僅僅與輸入狀態(tài)相關(guān)，還與當(dāng)前的輸出狀態(tài)有關(guān)，使得輸入輸出伏安特性曲線，呈現(xiàn)出類似遲滯回線的形態(tài)，因此稱為遲滯比較器。

遲滯比較器看起來(lái)比較遲鈍，但是帶來(lái)的好處是：只有明確的、強(qiáng)有力的輸入，才能引起輸出改變，而一旦改變，想要恢復(fù)，也得特別厲害的反向動(dòng)作。