西門子CPU主機6ES7314-1AG14-0AB0

什么是電壓比較器
    簡單地說,， 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小(也有兩個數(shù)字電壓比較的，這里不介紹),，并判斷出其中哪一個電壓高,，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),。另外有電源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的變化如圖1(b)所示。在時間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(飽和輸出)；VB>VA時,，Vout輸出低電平,。根據(jù)輸出電平的高低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的電壓變化仍然如圖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。輸出電平變化與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輸出飽和負電壓,。



    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稱為參考電壓,、基準(zhǔn)電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平),，如圖3(b)所示,，它一般用作過零檢測。


西門子CPU主機6ES7314-1AG14-0AB0

比較器的工作原理
    比較器是由運算放大器發(fā)展而來的,，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路,。由于比較器電路應(yīng)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為反饋電阻,，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)的樣子,，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài),，它就是比較器電路。實際上,，運放處于開環(huán)狀態(tài)時,，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓,，它小于正負電源電壓,，也不可能是無窮大,。



    從圖4中可以看出,，比較器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)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
    運放可以做比較器電路，但性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)。另外,，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu),，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負載,，應(yīng)用上更加靈活,。但也有一些比較器為互補輸出，無需上拉電阻,。




    這里順便要指出的是,，比較器電路本身也有技術(shù)指標(biāo)要求，如精度,、響應(yīng)速度,、傳播延遲時間、靈敏度等,，大部分參數(shù)與運放的參數(shù)相同,。在要求不高時可采用通用運放來作比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密比較器電路,。
    由于比較器與運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同,，其大部分參數(shù)(電特性參數(shù))與運放的參數(shù)項基本一樣(如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流,、輸入偏置電流等),。

比較器典型應(yīng)用電路
    這里舉兩個簡單的比較器電路為例來說明其應(yīng)用。

1.散熱風(fēng)扇自動控制電路
    一些大功率器件或模塊在工作時會產(chǎn)生較多熱量使溫度升高,，一般采用散熱片并用風(fēng)扇來冷卻以保證正常工作,。這里介紹一種極簡單的溫度控制電路，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件的溫度(散熱片上的溫度要比器件的溫度略低一些),，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,。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(shù)(即溫度一定時,，其阻值也是一定的單值),。如果我們設(shè)定在80℃時應(yīng)接通散熱風(fēng)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)境溫度變化不大時可認為R1值不變)，則可以計算出在80℃時的VA值,。



    R2與RP組成分壓器,，當(dāng)5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(電壓穩(wěn)定性較好)，調(diào)節(jié)RP可以改變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)計時希望散熱片上的溫度一旦超過80℃時接通散熱風(fēng)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,，散熱風(fēng)扇(直流電機)得電工作，使大功率器件降溫,。VA,、VTH電壓變化及比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說清楚的是在VA開始大于VTH時,，風(fēng)扇工作,，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過一定時問才能把溫度降到80℃以下,。



  從圖7可看出,，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應(yīng)地改變VTH值即可,。VTH值增大,，TTH增大；反之亦然,，調(diào)整十分方便,。只要RT確定，RT的溫度特性確定,，則R1,、R2、RP可方便求出(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,。冰箱正常工作溫度設(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(表示溫度正常),；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,。



  溫度傳感器采用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工作電壓及流過R1,、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值,。R1的值確定后,，可計算出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,。




本例中兩個比較器采用低工作電壓、低功耗,、互補輸出雙比較器LT1017,，無需外接上拉電阻