電壓比較器原理

電壓比較器的基本功能是能對兩個輸入電壓的大小進行比較，判斷出其中哪一個比較大。比較的結果用輸出電壓的高和低來表示。電壓比較器可以采用專用的集成比較器，也可以采用運算放大器組成。由集成運算放大器組成的比較器，其輸出電平在最大輸出電壓的正極限值和負極限值之間擺動，當要和數字電路相連接時，必須增添附加電路，對它的輸出電壓采取箝位措施，使它的高低輸出電平，滿足數字電路邏輯電平的要求。

下面討論幾種常見的比較器電路。

1．基本過零比較器（零電平比較器）

2．任意電平比較器

背景知識：

電壓比較器在電路結構、點性能等方面與運放基本相同，而其符號表示也與運放完全一致，有同相和反向兩個輸入端，一個輸出端，開環增益用A表示，電壓比較器的功能是比較兩個模擬信號的大小，并在輸出端得到高電平或低電平。理想的電壓比較器，其特性可表示為:當V+大于V,輸出高電平:而當V-大于V+，輸出低電平

基本原理：

電壓比較器的輸出端由低電平轉換到高電平，或從高電平轉換到低電平時，需要一定的時間(決定電壓比較器的瞬態響應)，其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調電壓，因此它的輸入端將出現不確定電壓，該不確定電壓將直接影響電壓比較器的靈敏度(對輸入電壓判別的靈敏度)。對于高性能的電壓比較器來說，應具有高的開環增益A、低的失調電壓和高的壓擺率。

顯然，一般的運算放大器如果工作在開環狀態，也可以作為電壓比較器之用。但在運放電路設計時，著重考慮其輸出與輸入之間的線性傳輸特性以及頻率補償的穩定性。因此，運放的響應時間和延遲時間往往不是很大，開環增益也不是很高。若需要高速或高靈敏度的電壓比較器，采用運放來代替電壓比較器，在要求比較高的設計中通常是不合適的，而需要根據具體的要求設計電壓比較器。在設計電壓比較器時，其直流特性的設計原則基本上與運放電路一致，而頻率特性的設計與運放電路不同，通常電壓比較器在開環條件下工作，因此在電路內部不需要考慮放大器閉環穩定工作的頻率補償。

一般的電壓比較器采用四級結構，前兩級和差分運算放大器基本相同，只是把運放中的補償電容去掉，后兩級使用CMOS反向器，這里的CMOS反向器的作用需要作一下說明:前一個反向器(電壓比較器的第三級)并不是工作在高低電平狀態，而是工作在傳輸特性曲線中的轉折區(接近闡值電壓)。被當做放大器使用，對差分信號起放大作用;后一個反向器(電壓比較器的第四級)在反向的同時，使電壓達到滿幅輸出。

典型的電壓比較器電路圖如下所示：

在上面的電路中，電壓比較器前兩級的元器件參數可以使用前面設計的放大器的參數，但有一點需要注意，那就是當電壓比較器的兩個輸入端沒有差分信號時，需要將電壓比較器的第二級輸出調至能使第一個反向器工作在放大狀態的電壓，如果反向器中的PMOS管和NMOS管的參數對稱，即CMOS反向器的特性曲線上的轉折區中點電壓(閡值電壓)是2.5V(高電平為5V，低電平為零)，對M6管的寬w(或長1)進行直流掃描，將反向器前第二級的電壓調整到2.5V，使反向器工作在需要的放大狀態。