什么是比较器？ 比较器的工作原理和类型

比较器是能够实现比较两个输入端的电流或电压的大小这一功能的电路或者装置。它有两个输入端Vi+和Vi-，一个输出端Vout。输入端接的是模拟信号，输出端输出是的数字信号，输出要么是高要么就是低，具体的高电平是任意由外接的电压幅值来决定的。

选择其中输入端作为参考点(REF)来进行比较，例如选择同相输入端V2作为参考,当反相输入端V1大于V2时,Vout输出低电平;当V1小于V2时,Vout输出高电平。由此可知输出端的状态代表着两个输入之间的净差的符号,参考电压V2则称为比较器的阈值电压UT。由于比较器实际上是1位数模转换器(ADC),因而是ADC中的一个基本元件。

下面显示的是一个简单比较器的原理图和输出图。

该电路构成了许多应用的基础，包括过零检测器、张弛振荡器、电平转换器、模数转换器、窗口检测器和施密特触发器等。

在上面的原理图中，运放 -ve 输入端的两个电阻相等，使得 Vref = Vcc/2。当 Vin 超过该点时，输出迅速变高。当 Vin 降至 Vref 以下时，输出再次变低。

通过电阻器 R2 添加一些正反馈，将其变成施密特触发器，其迟滞由 R2/R1 控制。大多数555定时器应用都是基于使用它们自己的内部比较器。

1、反相比较器

反相比较器是基于运算放大器的比较器，其中参考电压施加到其非反相端子，输入电压施加到其反相端子。该比较器称为反相比较器，因为需要比较的输入电压施加到运算放大器的反相端子。

反相比较器的操作很简单。它根据其输入电压和参考电压的值在输出处产生两个值之一。反相比较器的电路图如下图所示。

2、同相比较器

同相比较器是基于运算放大器的比较器，其中参考电压施加到其反相端子。另一方面，输入电压施加到其非反相端子。这种基于运算放大器的比较器称为非反相比较器，因为必须比较的输入电压施加到运算放大器的非反相端子。同相比较器的电路图如下图所示。

比较器采用集成电路原理，它是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。

图1(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。

若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图1(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。

从图1中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

同相放大器电路如下图所示。如果图2中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。图2中的Vin相当于图3(b)中的VA。

1、使用LM339的LDR比较器电路图

使用德州仪器 (TI) 的IC LM339设计的简单LDR比较器电路。这是一款四路比较器IC，该电路中仅使用了该IC 的4 位内部比较器之一。该电路采用5 伏稳压直流电源供电。

这里该电路的光敏元件是光检测电阻或LDR。这只是一个光敏元件，它会根据照射在其上的光线而改变其电阻。照射在其上的光线越多，其抵抗力越低。

在上面的电路中，我们将引脚 4 连接到 LDR，电阻 R1 作为分压电路。这是反相端子，当光照射到 LDR 传感器时，通过该引脚的电阻率将降低，并且引脚 4 上的电压将升高，从而导致引脚 3 处输出低电平。

我们在引脚 5 处添加了可变电阻。由于可变电阻设置为低阻值，因此引脚 5 上的电压变高。反相端子引脚 4 需要低输入信号以保持低于引脚 4 上的电压以获得更高的输出，这意味着它被设置为低光强度。 LDR 上照射的光越多，其电阻就越低，输出端的电压就越高。每当反相输入端的电压超过或低于非反相输入端设置的阈值电压时，比较器输出就会改变状态。 LDR 在黑暗中时 LED 亮起。我们可以使用继电器或蜂鸣器代替LED来将该电路投入具体应用。

2、基于LM358运算放大器的比较器电路图

这是一个由常见 LM741 运算放大器构建的比较器。在此测试电路中，我们使用 12 伏双极电源。在 NEG 输入中，引脚 2 固定为 6 伏，齐纳二极管连接到电源的 + 侧。我们将其称为 Vref。

在引脚 3 的 POS 输入上，我们将电位计连接回 + 和 GND。这是文。如果 Vin小于6 伏，则 LM741 引脚 7 上的输出将约为负 10 伏。这里我们使用1N4001二极管来保护LED免受过高的反向电压的影响。

如果我们将 10K 电位器调整到 Vin 大于 Vref ，则引脚 7 上的输出将变为大约+10V 正向偏置 1N4001 并打开 LED。

使用 LM741 的缺点是使用双极电源。图中的比较器电路使用LM358运算放大器代替LM741。 LM358 专为单电源供电而设计。它的作用，只是添加了 Q1 作为集电极开路输出驱动器。

当 Vin 小于 Vref 时，引脚上的输出变为约 10 伏，从而打开晶体管 Q1，从而打开 LED。通过用 10K 电位器设置跳变点，可以制作欠压指示器。

3、使用LM101的比较器电路图

LM101 非常适合比较器应用的两个原因是它具有较大的差分输入电压范围，并且输出易于钳位以使其与各种驱动器和逻辑电路兼容。 LM101 没有 LM7104 的速度(10us 与 40ns，在同等条件下)，但速度在许多线性应用中不是问题，并且 LM101 的较低输入电流和较高电压能力是一个很大的优势。下面的电路图显示了使用 LM101 的两个比较器电路。

上图是一种钳位方案，使输出信号直接与DTL或TTL集成电路兼容。 0V 或 4V 的输出分别由 LM103 击穿二极管钳位在低或高状态。具有急剧击穿和低等效电容是选择这种特殊二极管的原因。放大器开环工作，因此作为比较器工作时通常不需要频率修正。尽管如此，为了防止比较器处于活动区域时出现低电平振荡，放大器引脚 5 和 6 之间的杂散电容应最小化。如果这成为问题，则正常补偿端子上的 3 pF 电容器将消除它。

下图所示的 LM101 的连接用作比较器和灯驱动器。 Q1 开关灯，R2 限制因打开冷灯而产生的电流浪涌。 Q1 的基极驱动由 R1 决定，而 D1 可以防止放大器在关断时在 Q1 的发射极-基极结上施加过多的反向偏置。

4、基uA741运算放大器的电压比较器电路图

基于 uA741 运算放大器的实用同相比较器如下所示。这里，参考电压是使用由 R1 和 R2 组成的分压器网络设置的。等式为 Vref = (V+/ (R1 + R2)) x R2。

将电路图中给出的值代入该方程可得出 Vref = 6V。只要 Vin 高于 6V，输出就会摆动至 ~+12V DC，反之亦然。该电路由 +/- 12V DC 双电源供电。