电压比较器的电路构成

发布时间:2024-03-20
1.电压比较器符号及基本电路
同运放原理的讲解一样,将输出级电路搬到经典电压比较器符号的外部(创意原理符号),再进而确定两输入端和输出端(或输出级)的对应关系,则其工作原理就呼之欲出了。
图1 常规电压比较器符号、创意原理符号与应用电路
从常规符号(图1中a图)看,电压比较器也为三端元件,即两输入端,一输出端。其输入、输出的关系为:
当in+> in-时,out端为高电平“1”;
当in- < in+时,out端为低电平“0”。
这也是做为电压比较器原理及故障判断的一个根本原则。
从创间原理符号(图1中b图)看,当in-> in+时,内部输出级晶体管q导通,输出端相当于与供电负端短接,因而输出低电平“0”,此低电平可能为0v,也可能是-15v(和供电负端电平相关)。
因电路为开路集电极输出形式,故输出端需加上位电阻r,以形成高电平“1”输出。
从应用电路(图1中c图)看,当当in+> in-时,内部q截止,out端变为高电平。此时输出端高电平的幅度完全取决于上拉vcc的电平幅度。如vcc为+5v,电路输出高电平则为+5v;如vcc为+15v,电路输出高电平则为+15v。
此处输出端上接电源vcc,既可以是电压比较器的供电电源,也可以是(共地的)另外的电压级别。做为模-数转换(接口)电路,为适应数字(或mcu器件)的供电电源要求,电压比较器输出端多经上拉电阻r接+5v电源(dsp器件,上接电阻则接入+3.3v电源正端)。
2.输出端电路形式
当比较器供电为±15v双电源(比如直接采用运放器件的电源供电),或输出端上拉电源为+15v,而输出端又要与后级(+5v供电数字电路系统)电路相连接时,那么输出级外围电路就要妥善完成前后级电路电平衔接的任务了。
电压比较器的后级电路为mcu芯片时,mcu对输入信号有3项要求:
输入信号幅度不大于+5v;
因mcu为单电源供电,不要负的输入信号;
只要电压信号,不要电流信号。
图2 电压比较器输出端电路形式
图2中a电路,比较器供电为+15v,输出端上拉电阻r接+5v,实现了前后级电平的自然对接,无须采用输出电平钳位等相关措施。
图2中b电路,比较器供电为+15v,输出端上拉电阻r也接+15v,电路的高电平输出幅度超出后级电路的承受能力,此处加单向钳位二极管d1以限制最高输入电平(将输出高电平钳位在+5v电源电平附近),或由分压电路将输出电平进行衰减。由电压接法可知,当当in+> in-时,输出端变为高电平,由d1的嵌位作用,使输出端电压为+5v+d1的导通管压降(一般约为0.6v左右)≈+5.6v。
图2中c电路,比较器供电为±15v双电源,输出端上拉电阻r接+15v。电压输出端的高电平为+15v,而低电平为-15v,二者都不符合后级电路的输入电平要求。一般采用添加r2限流电阻和双向错位二极管d1、d2的方法,进行输出端电压钳位。将电压比较器输出的±15v高、低电平嵌位成-0.6v~+5.6v左右的电压信号(换言之,即将输出信号嵌位于0和+5v的供电电源电压范围以内)。
3.输入端基准电压的来源
针对最基本的电压比较器——单级比较器来说,in+和in-两个输入端,必定要有其一做为比较基准端,另一端则做为信号电压输入端。基准电压通常由以下几种方式生成(以下图例将电压比较器恢复为常规符号):
1)直接由+5v电源(或±15v)电源经电阻分压取得;
2)由专用基准电压源或三端稳压器取得;
3)由运算放大器生成。
图3 电压比较器基准电压的来源
如上图3所示,基准(比较)电压可由供电电源经电阻分压取得;亦可由基准电压源或三端稳压器取得更为精准的基准电压;图3中的c电路,是由运放n1取得-2.5v基准电压后,送入电压比较器n2的反相输入端做为比较基准的。
由图3可看出:
输入信号即可进入反相输入端,也可进入同相输入端。
比较器供电可以单电源,可以双电源。单(正)电源供电时,不能输入负的信号电压;
因其供电形式不同,除决定输入信号的极性外,其输出级外围电路也有相应差异;
输入的另一端即可做为基准比较端(电压比较器必须有基准比较端),通常此端电压不为0v,为一固定不变之电压。输入信号端与基准端电压相等的概率近乎为0,因而两输入端大部分时间内是有电压差的,随输入信号电压的变化,该电压差也是变化的。
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