电压比较器原理

电压比较器原理

电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较，判断出其中哪一个比较大。比较的结果用输出电压的高和低来表示。电压比较器可以采用专用的集成比较器，也可以采用运算放大器组成。由集成运算放大器组成的比较器，其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动，当要和数字电路相连接时，必须增添附加电路，对它的输出电压采取箝位措施，使它的高低输出电平，满足数字电路逻辑电平的要求。

下面讨论几种常见的比较器电路。

1．基本过零比较器（零电平比较器）

2．任意电平比较器

背景知识：

电压比较器在电路结构、点性能等方面与运放基本相同，而其符号表示也与运放完全一致，有同相和反向两个输入端，一个输出端，开环增益用A表示，电压比较器的功能是比较两个模拟信号的大小，并在输出端得到高电平或低电平。理想的电压比较器，其特性可表示为:当V+大于V,输出高电平:而当V-大于V+，输出低电平

基本原理：

电压比较器的输出端由低电平转换到高电平，或从高电平转换到低电平时，需要一定的时间(决定电压比较器的瞬态响应)，其次由于电压比较器的增益是有限的，并且存在失调电压，因此它的输入端将出现不确定电压，该不确定电压将直接影响电压比较器的灵敏度(对输入电压判别的灵敏度)。对于高性能的电压比较器来说，应具有高的开环增益A、低的失调电压和高的压摆率。

显然，一般的运算放大器如果工作在开环状态，也可以作为电压比较器之用。但在运放电路设计时，着重考虑其输出与输入之间的线性传输特性以及频率补偿的稳定性。因此，运放的响应时间和延迟时间往往不是很大，开环增益也不是很高。若需要高速或高灵敏度的电压比较器，采用运放来代替电压比较器，在要求比较高的设计中通常是不合适的，而需要根据具体的要求设计电压比较器。在设计电压比较器时，其直流特性的设计原则基本上与运放电路一致，而频率特性的设计与运放电路不同，通常电压比较器在开环条件下工作，因此在电路内部不需要考虑放大器闭环稳定工作的频率补偿。

一般的电压比较器采用四级结构，前两级和差分运算放大器基本相同，只是把运放中的补偿电容去掉，后两级使用CMOS反向器，这里的CMOS反向器的作用需要作一下说明:前一个反向器(电压比较器的第三级)并不是工作在高低电平状态，而是工作在传输特性曲线中的转折区(接近阐值电压)。被当做放大器使用，对差分信号起放大作用;后一个反向器(电压比较器的第四级)在反向的同时，使电压达到满幅输出。

典型的电压比较器电路图如下所示：

在上面的电路中，电压比较器前两级的元器件参数可以使用前面设计的放大器的参数，但有一点需要注意，那就是当电压比较器的两个输入端没有差分信号时，需要将电压比较器的第二级输出调至能使第一个反向器工作在放大状态的电压，如果反向器中的PMOS管和NMOS管的参数对称，即CMOS反向器的特性曲线上的转折区中点电压(阂值电压)是2.5V(高电平为5V，低电平为零)，对M6管的宽w(或长1)进行直流扫描，将反向器前第二级的电压调整到2.5V，使反向器工作在需要的放大状态。