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一、什么是比較器？
比較器，具有兩個模擬電壓輸入端UIN+和UIN-，一個數(shù)字狀態(tài)輸出端UOUT，輸出端只有兩種狀態(tài)，用以表示兩個輸入端電位的高低關系：
比較器UH代表高電平，UL代表低電平，具體的電位值，取決于系統(tǒng)的定義。常見的數(shù)字系統(tǒng)中，3.3V代表高電平，0V代表低電平；也有12V/5V代表高電平，0V代表低電平。
高低電平的本質：可以明顯區(qū)分的電位。
實現(xiàn)比較器的方法：
專門的比較器
運放實現(xiàn)比較器（不推薦）
二、用運放實現(xiàn)比較器
用運放實現(xiàn)比較器，局限性較大，一般不被建議，在要求不高的場合，運放可作為比較器。
三、簡單的運放比較器
1、理想比較器
作比較器應用時，一般都是將一個輸入端接成固定電位，稱為基準，用UREF表示，用另一個輸入端接被測電位uI，用于衡量被測電位與基準的關系。
理想運放與其輸入輸出關系
上圖為理想運放與其輸入輸出關系。圖中輸出只有兩種狀態(tài)：UH和UL。用運放實現(xiàn)的比較器，具有極高的開環(huán)增益（不是工作在負反饋狀態(tài)下）：
當輸入電壓大于基準電壓時，兩者的差乘以開環(huán)增益，一般都會超過正電源電壓，而使實際運放輸出為正電源電壓（軌對軌運放）。
當輸入電壓小于基準電壓時，兩者的差（負值）乘以開環(huán)增益，一般都會低于負電源電壓，而使運放的實際輸出為負電源電壓。
2、實際比較器
實際比較器
該曲線中的紅色虛線區(qū)域為比較器的不靈敏區(qū)。發(fā)生在輸入電壓非常接近基準電壓時，輸出是一個不確定的值。理想運放組成的比較器，不靈敏區(qū)為0.
這里有個思考的問題：不靈敏區(qū)越小越好或者說比較器越靈敏越好嗎？
四、比較器的靈敏度問題
對于一個過于靈敏的比較器，往往會給系統(tǒng)帶來麻煩。因為日常生活的輸入信號，它并不是一個理想的信號，它是包含噪聲信號的。
比較器靈敏度問題
將圖中藍色區(qū)域展開，可發(fā)現(xiàn)：對于一個非常靈敏的比較器， 噪聲信號是波動的，經(jīng)常會在某個點低于基準點，從而使比較器發(fā)生翻轉。這就形成了有點所示的很多較小時間的脈沖，而這往往是不準確的。
舉個例子：生活中有些場所是有人員限制的，在進出口安裝紅外發(fā)生器和接收器，一旦有人經(jīng)過就產(chǎn)生一個脈沖，但是給與比較器判斷的信號是有干擾的，如果明明進去一個人，但是像右圖所示產(chǎn)生了7個脈沖，判斷有7個人進去了，這是不準確的。 我們可以通過軟件編程的方式判斷脈沖的時間，過小的時間不可能進去一個人，從而剔除干擾信號； 也可以在模擬電路階段采取遲滯比較的方式來剔除。
如果把基準電壓從單個變成兩個呢？ 只有一個基準電壓，稱為單門限比較器；
五、遲滯比較器
遲滯比較器
如圖所示：兩個黃線表示兩個基準電壓，可以看出右邊黃線區(qū)間內(nèi)的噪聲信號被濾除了，雖然這種情況還是存在噪聲干擾，但是明顯比單門限好得多。 這兩個基準電壓越接近，效果就越接近單門限的效果。
遲滯比較器
原理：
當輸入電壓足夠負時，運放的負輸入端電壓總是小于正輸入端，因此輸出一定是正電源電壓+VCC(近似)，此時運放的正輸入端作為比較基準，為kVCC：
k=R1/R1+R2
隨著輸入電壓逐漸增大，工作點沿著紅色線一直向右移動， 到達B點，輸入電壓大于kVCC，此時運放的正輸入端電壓小于負輸入端電壓，輸出變?yōu)?VEE，即從B點處紅色跌落。 此時，比較基準立即改變：由原先的kVCC變?yōu)?kVEE。 這就表示：此時就算輸入電壓發(fā)生輕微的逆向翻轉，比較器也不翻轉。
圖中：假設從 A 開始，到 B 點翻轉，到 C點，紅色線一直向右，然后以綠色線回轉到達kVCC 處，比較器不翻轉，沿著綠色線一直到 D 點，才回到 A 點（重新回到高電平）。
拓展：
這個比較器的輸出狀態(tài)，不僅僅與輸入狀態(tài)相關，還與當前的輸出狀態(tài)有關，使得輸入輸出伏安特性曲線，呈現(xiàn)出類似遲滯回線的形態(tài)，因此稱為遲滯比較器。
遲滯比較器看起來比較遲鈍，但是帶來的好處是：只有明確的、強有力的輸入，才能引起輸出改變，而一旦改變，想要恢復，也得特別厲害的反向動作。
遲滯比較器
六、多種形態(tài)的遲滯比較器
前面提到的只是遲滯比較器的一種，它的伏安特性曲線是順時針旋轉的，且它的兩個閾值電壓是基于0V對稱的。 當接入一個基準電壓UREF這就是更為常用的比較器。
多種形態(tài)的遲滯比較器
分析：
假設運放輸出高電平為 UOH（對理想運放來說，此值為VCC），輸出低電平為UOL，那么對輸入信號，電路有兩個比較翻轉點，較大的一個稱為UR+，較小的稱為UR-。
設正反饋系數(shù)為k，k值越接近于1，說明反饋越強烈，遲滯窗口越寬：
k=R1/R1+R2
當輸出為高電平時，翻轉點為：
U R + = UOHk + UREF （ 1 ? k ）
當輸出為低電平時，翻轉點為：
U R ? = UOLk + UREF （1 ? k ）
如果UOH=-UOL，即輸出對稱，可得到：
U R + = （ 1 ? k ） UREF + 0.5 U WDU
U R ? = （ 1 ? k ） UREF ? 0.5 UWU
其中，UWD代表兩個比較閾值之間的電壓寬度，或者叫窗口電壓。
UWD = UREF + ? U REF ? = （ VCC + VEE（R1/R1+R2））*
拓展：
合理地選擇電路結構，選擇電阻值，可以做出符合設計要求的遲滯比較器：可改變順逆結構，可以改變中心閾值，可以改變閾值窗口電壓。
疊加原理分析
1、過零比較器
信號源VG1上疊加一個噪聲源VG2：
過零比較器
波形如下：
過零比較器波形
過零點展開：
過零比較器波形過零點展開
2、遲滯過零比較器
加入遲滯：
遲滯過零比較器
波形如下：
遲滯過零比較器波形
過零點展開：
遲滯過零比較器過零點展開
七、特點（缺點）
運放的輸出取決于供電電壓，與數(shù)字電平不一定匹配。
運放存在嚴重的過驅恢復時間，不利于高速運行。
運放靈敏度過高。
八、專門的比較器（實際比較器）
下面為LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊：
LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊
TINA-TI仿真
實際比較器TINA-TI仿真
波形：
實際比較器波形圖
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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