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、自動控制電路、測量技術(shù)，也可用于v/f變換電路、a/d變換電路、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。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的電壓比較器。
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。
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。