运算放大器比较器和电路电压反相方程摘要

比较器是一个电子决策电路，它在开环状态下使用运算放大器非常高的增益，也就是说，没有反馈电阻。

运算放大器比较器将一个模拟电压电平与另一个模拟电压电平或某个预设参考电压V REF 进行比较，并根据该电压比较产生输出信号。换句话说，运算放大器电压比较器比较两个电压输入的幅度，并确定哪个是两者中最大的。

我们在之前的教程中已经看到运算放大器可以用于负反馈控制其执行各种不同功能的线性区域中的输出信号的幅度。我们还看到标准运算放大器的特点是开环增益 A O ，其输出电压由下式给出： V OUT = A O （V + -V - ）其中 V + 和 V - 对应于电压另一方面，非反相和反相端子。

电压比较器，要么使用正反馈，要么根本没有反馈（开环模式）来切换输出因为在开环模式下，放大器电压增益基本上等于 A VO 。然后由于这种高开环增益，比较器的输出完全摆动到其正电源轨， + Vcc 或完全摆动到其负电源轨， -Vcc on通过一些预设阈值的变化输入信号的应用。

开环运算放大器比较器是一个模拟电路，在两个模拟输入的变化中，在非线性区域运行， V + 和 V - 使其行为类似于数字双稳态设备，因为触发使其具有两种可能的输出状态， + Vcc 或 -Vcc 。然后我们可以说电压比较器本质上是一个1位模数转换器，因为输入信号是模拟的，但输出表现为数字。

考虑基本的运算放大器电压比较器以下电路。

运算放大器比较器电路

参考在上面的运算放大器比较器电路中，首先假设 V IN 小于 V REF 时的直流电压电平，（ V IN REF ）。由于比较器的非反相（正）输入小于反相（负）输入，输出将为低电平且负电源电压 -Vcc 导致负饱和。输出。

如果我们现在增加输入电压， V IN ，使其值大于参考电压 V REF 在反相输入上，输出电压快速向正电源电压 + Vcc 切换为高电平，从而导致输出正饱和。如果我们再次降低输入电压 V IN ，使其略小于参考电压，则运算放大器的输出切换回其负饱和电压，作为阈值检测器。

然后我们可以看到运算放大器电压比较器是一个输出取决于输入电压值的器件， V IN

我们还可以看到输出电压的值完全取决于op-安培电源电压。理论上，由于运算放大器的开环增益很高，其输出电压的幅度在两个方向上都是无限的（±＆amp;＃8734 ）。然而实际上，由于显而易见的原因，它受到运算放大器电源轨的限制，给出 V OUT = + Vcc 或 V OUT = -Vcc

我们之前说过，基本运算放大器比较器通过将输入电压与某个预设的直流参考电压进行比较，产生正或负电压输出。通常，电阻分压器用于设置比较器的输入参考电压，但可以使用电池电源，齐纳二极管或可变参考电压的电位计，如图所示。

比较器参考电压

理论上，比较器参考电压可以设置在0v和电源电压之间的任何地方，但实际电压范围存在实际限制，具体取决于所使用器件的运算放大器比较器。 / p>

正负电压比较器

基本运算放大器比较器电路可用于检测正输入电压或负输入电压，具体取决于我们连接的运算放大器的输入端固定参考电压源和输入电压。在上面的例子中，我们使用反相输入设置参考电压，输入电压连接到同相输入。

但同样我们可以连接比较器的输入，反过来反转输出信号如上所示。然后，运算放大器比较器可配置为以所谓的反相或同相配置工作。

正电压比较器

正电压比较器的基本配置，也称为非反相比较器电路，检测输入信号 V IN 何时大于或大于参考电压， V REF 在 V OUT 处产生输出，如图所示为高电平。

同相比较器电路

在此非反相配置中，参考电压连接到运算放大器的反相输入端，输入信号连接到非反相输入。为简单起见，我们假设形成分压器网络的两个电阻相等，并且： R1 = R2 = R 。这将产生一个固定的参考电压，它是电源电压的一半，即 Vcc / 2 ，而输入电压可以从零变化到电源电压。

当 V IN 大于 V REF 时，运算放大器比较器输出将向正电源轨饱和， Vcc 。当 V IN 小于 V REF 时，运算放大器比较器输出将改变状态并在负值处饱和电源轨， 0v ，如图所示。

负电压比较器

负电压比较器的基本配置，也称为反相比较器电路，检测何时输入信号， V IN 低于或低于参考电压 V REF ，产生输出 V OUT ，如图所示为高电平。

反相比较器电路

在反相配置中，与上面的正配置相反，参考电压连接到运算放大器的非反相输入，同时输入信号连接到反相输入。然后，当 V IN 小于 V REF 时，运算放大器比较器输出将向正电源轨饱和， Vcc 。

同样反之亦然，当 V IN 大于 V 时REF ，运算放大器比较器输出将改变状态并向负电源轨饱和， 0v 。

然后取决于哪个运算放大器我们用于信号和参考电压的输入，我们可以产生反相或非反相输出。我们可以通过组合上面的两个运算放大器比较器电路来进一步检测负信号或正信号，以产生窗口比较器电路。

窗口比较器

窗口比较器基本上是上面的反相和非反相比较器组合成单个比较器级。窗口比较器检测在特定频带或窗口电压内的输入电压电平，而不是指示电压是大于还是小于某个预设或固定电压参考点。

此时，窗口比较器不是仅具有一个参考电压值，而是具有由一对电压比较器实现的两个参考电压。一个触发运算放大器比较器，检测到某个高电压阈值， V REF（UPPER） ，并且在检测到较低电压时触发运算放大器比较器阈值水平， V REF（LOWER） 。然后，这两个上下参考电压之间的电压电平称为“窗口”，因此得名。

使用我们上面的分压器网络的想法，如果我们现在使用三个等值电阻器，那么 R1 = R2 = R3 = R 我们可以创建一个非常简单的窗口比较器电路，如图所示。此外，当电阻值全部相等时，每个电阻上的电压降也将等于电源电压的三分之一， 1 / 3Vcc 。然后在这个简单的例子中，我们可以将上参考电压设置为 2 / 3Vcc ，将下参考电压设置为 1 / 3Vcc 。考虑下面的窗口比较器电路。

窗口比较器电路

当时V IN 低于较低的电压电平， V REF（LOWER） ，相当于 1 / 3Vcc ，输出为LOW。当 V IN 超过此 1 / 3Vcc 更低的电压电平时，第一个运算放大器比较器会检测到此情况，并将输出高电平切换为 Vcc 。

当 V IN 继续增加时，它会通过高电压电平， V REF（UPPER） 在 2 / 3Vcc 处，第二个运算放大器比较器检测到此情况并将输出切换回LOW。然后 V REF（UPPER） 和 V REF（LOWER） 之间的差异（即2 / 3Vccc - 此示例中为1 / 3Vcc）为正向信号创建切换窗口。

现在假设 V IN 处于其最大值并且等于 Vcc 。当 V IN 减小时，它会通过第二个运算放大器比较器的高电压电平 V REF（UPPER） 它将输出切换为高电平。当 V IN 继续减小时，它会通过第一个操作的较低电压电平 V REF（LOWER） -amp比较器再次将输出切换为低电平。

然后 V REF（UPPER） 和 V REF之间的差值（ LOWER） 为负向信号创建窗口。因此我们可以看到，当 V IN 超过或低于两个运算放大器比较器设置的上下参考电平时，输出信号 V OUT 将为HIGH或LOW。

在这个简单的例子中，我们将上行程水平设置为2 / 3Vcc，将较低行程水平设置为1 / 3Vcc（因为我们使用了三个相等值的电阻器），但可以通过调整输入阈值来选择任何值。因此，窗口宽度可以根据给定的应用进行定制。

如果我们使用双电源并将上下行程水平设置为±10伏并且 V IN 是一个正弦波形，然后我们可以使用这个窗口比较器电路作为正弦波的过零检测器，每当正弦波超过零伏线时就会产生高或低输出从正到负或从负到正。

我们可以通过将多个不同的运算放大器比较器与它们一起使用公共输入信号进一步检测电压电平，但每个比较器都可以使用我们现在熟悉的电源分压器网络设置的不同参考电压。考虑下面的电压电平检测电路。

比较器电压电平检测器

如上，分压器网络为各个运算放大器比较器电路提供一组参考电压。要产生四个参考电压，需要五个电阻。底部电阻对的结点将产生一个参考电压，该参考电压是电源电压的五分之一， 1 / 5Vcc 使用等值电阻。第二对 2 / 5Vcc ，第三对 3 / 5Vcc ，依此类推，这些参考电压增加固定量的五分之一（ 1 / 5 ）朝向 5 / 5Vcc ，实际上是 Vcc 。

随着公共输入电压的增加，每个运算放大器的输出比较器电路依次从下部比较器开始， A 4 并向上朝 A 1 作为输入电压增加。因此，通过设置分压器网络中的电阻值，可以将比较器配置为检测任何电压电平。使用电压电平检测和指示的一个很好的例子是电池状态监视器。

此外，通过增加集合中运算放大器比较器的数量，可以创建更多触发点。因此，例如，如果我们在链中有8个运算放大器比较器并将每个比较器的输出馈送到8到3线数字编码器，我们就可以制作一个非常简单的模数转换器（ADC）将模拟输入信号转换为3位二进制码（0到7）。

具有正反馈的运算放大器

我们在这里看到运算放大器可以被配置为在开环模式下作为比较器工作，如果输入信号快速变化或者噪声太大，这是很好的。但是，如果输入信号 V IN 变化缓慢或存在电噪声，则运算放大器比较器可能会振荡，在两次饱和之间来回切换其输出状态， + Vcc 和 -Vcc ，因为输入信号在参考电压 V REF 级别附近徘徊。克服这个问题并避免运算放大器振荡的一种方法是在比较器周围提供正反馈。

顾名思义，正反馈是一种喂食技术通过由两个电阻器设置的分压器将输出信号的一部分或一部分反馈到运算放大器的非反相输入端，反馈量与它们的比率成比例。

在运算放大器比较器周围使用正反馈意味着一旦输出在任一电平触发饱和，输入信号必须有显着变化 V IN 输出切换回原始饱和点之前。两个开关点之间的这种差异称为滞后，产生通常称为施密特触发器电路的东西。考虑下面的反相比较器电路。

具有滞后的运算放大器反相器

对于上面的反相比较器电路， V IN 应用于运算放大器的反相输入。电阻 R 1 和 R 2 在比较器两端形成一个分压器网络，提供正反馈，部分为输出电压出现在非反相输入端。反馈量由所使用的两个电阻的电阻比确定，其给出如下：

分压器方程

其中：β（beta）可用于指示反馈分数。

当输入信号小于参考电压时， V IN REF ，输出电压为高电平， V OH 且等于正饱和电压。当输出为高电平且为正时，同相输入上的参考电压值约等于： +β* Vcc 称为上跳闸点或UTP。

当输入信号 V IN 增加时，它的上跳变点电压也变得相等， V UTP 非反相输入的电平。这导致比较器输出改变状态变为低电平， V OL 并且等于负饱和电压。

但这次的差异是由于输出端的负饱和电压导致现在出现在非反相输入端的负电压等于：-β* Vcc ，因此产生第二跳变点电压值。然后输入信号现在必须低于第二个电压电平，称为低跳闸点或LTP，电压比较器输出改变或切换回其原始的正状态。

所以我们可以看到当输出改变状态时，非反相输入端的参考电压也改变，产生两个不同的参考电压值和两个不同的切换点。一个称为Lower Upper Trip Point （UTP），另一个称为 Lower Trip Point （LTP）。这两个跳变点之间的差异称为滞后。

迟滞量由反馈输出电压的反馈分数β确定到非反相输入。正反馈的优势在于，由此产生的比较器施密特触发器电路不受由噪声或滞后带内缓慢变化的输入信号引起的不稳定触发的影响，从而产生更清晰的输出信号，因为运算放大器比较器输出仅触发一次。

因此，对于正输出电压， V REF = +β* Vcc ，但对于负输出电压， V REF =-β* Vcc的 。然后我们可以说电压滞后量将给出如下：

我们还可以通过改变输入和参考端子来产生具有内置迟滞的同相运算放大器比较器电路显示：

带滞后的同相运算放大器

注意迟滞图上的箭头表示上下跳变点的切换方向。

比较器示例No1

运算放大器与正反馈一起用于产生施密特触发器电路。如果电阻 R 1 =10kΩ且电阻器 R 2 =90kΩ，那么它的值是多少？如果运算放大器连接到双±10v 电源，则参考电压的上下切换点和滞后宽度。

给定： R 1 =10kΩ， R 2 =90kΩ。电源 + Vcc = 10v 和 -Vcc = 10v 。

反馈分数：

高电压跳变点， V UTP

低电压跳变点， V LTP

滞后宽度：

然后参考电压 V REF ，在 + 1V 和 -1V 之间切换，因为输出饱和一层到另一层。希望我们从这个简单的例子中可以看出，通过调整反馈电阻 R 1 <的分压比，可以使该滞后的宽度（总共2伏）变大或变小/ span>和 R 2 。

电压比较器

虽然我们可以使用741等运算放大器作为基本比较器电路，问题在于运算放大器仅针对线性操作进行了优化。这是输入端子实际上处于相同电压电平的位置，其输出级设计为产生长时间不饱和的线性输出电压。此外，标准运算放大器设计用于闭环应用，从其输出到反相输入具有负反馈。

另一方面，专用电压比较器是一种允许重载的非线性器件饱和度，由于其非常高的增益，当输入信号相差较小时。运算放大器比较器和电压比较器之间的区别在于输出级，因为标准运算放大器具有针对线性操作优化的输出级，而电压比较器的输出级针对连续饱和操作进行了优化，因为它

LM311单比较器，LM339四比较器或LM393双差分比较器等商用比较器是电压比较器，它们总是靠近一个供电轨或者不在两个供电轨之间。

商用比较器，如LM311单比较器，LM339四比较器或LM393双差分比较器，都是电压比较器。采用单电源或双电源供电的标准IC封装。这些专用电压比较器的设计目的是将输出从一个饱和状态快速切换到另一个饱和状态，因为用于电压比较器输出级的晶体管通常是开关晶体管。

由于电压比较器转换为线性将信号输入到数字输出信号中，它们通常用于连接具有不同电源或参考电压的两个不同电信号。因此，电压比较器的输出级通常配置为单开集电极（或漏极）晶体管开关，具有开路或闭合状态，而不是如图所示的实际输出电压。

电压比较器电路

这里，电压比较器的开路集电极输出通过一个上拉电阻连接到电压源（以及用于指示的LED，将单个输出拉高至电源。当输出开关为高电平时，它会产生高阻抗路径，因此没有电流流过 V OUT = Vcc 。

当比较器改变状态且输出开关为低电平时，它会产生一个低阻抗接地路径，电流流过上拉电阻（和LED），导致电压降过自身，输出被拉低在这种情况下，电源电压接地。

然后我们可以看到运算放大器比较器的原理图符号与电压比较器或其内部电路之间的差别很小。主要区别在于输出级，开路集电极或漏极配置对于驱动继电器，灯等非常有用。通过从输出驱动晶体管，可以获得比单独输出比较器更大的开关电流容量。

运算放大器比较器摘要

在本教程中关于运算放大器比较器我们已经看到比较器电路基本上是一个没有反馈的运算放大器，即运算放大器用于其开环配置，当输入电压 V IN 超过预设参考电压时， V REF ，输出改变状态。

由于运算放大器的开环增益非常高，使用正反馈或甚至没有反馈都会导致输出饱和到其供电轨，产生两个不同输出电压中的一个，取决于其两个输入的相对值。这种双稳态行为是非线性的，构成了运算放大器比较器和施密特触发器电路的基础。

专用比较器的输出级，如单个LM311，双LM393或四个LM339设计在饱和区工作，允许这些电压比较器电路广泛用于模数转换器应用和各种类型的电压电平检测电路。

开环比较器的不稳定开关特性可以通过在比较器的输出和输入之间添加正反馈来轻松克服。通过正反馈，电路具有迟滞，输出切换发生在两个不同的切换点UTP和LTP之间。

运算放大器窗口比较器是一种电压比较器电路，它使用两个运算放大器比较器产生双态输出，通过使用两个参考来指示输入电压是否在特定范围或值窗口内电压。上部参考电压和下部参考电压。

虽然运算放大器和比较器看起来很相似，但它们非常不同，并且设计用于不同的应用，因为运算放大器可用作比较器，由于其非线性输出级，电压比较器不能用作运算放大器。

我们从之前的教程中了解到，运算放大器是一个带有差分模拟输入和模拟输出的模拟器件如果在其开环配置下运行，其输出就像一个比较器输出。但是专用电压比较器（LM311，LM393，LM339）可以广泛使用，其性能远远优于标准的运算放大器比较器。