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1 引言 電壓比較器是用來(lái)比較兩個(gè)或兩個(gè)以上模擬電平，并給出結果的功能部件。它將一個(gè)輸入模擬電壓信號與設置的參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將躍變成相應的高電平或低電平，在模擬與數字信號轉換等領(lǐng)域得到廣泛的應用。 Multisim是較為優(yōu)秀的電路仿真軟件，它提供的虛擬儀器和分析方法不僅可以及時(shí)的看到電路的運行狀態(tài)、測量電路的性能指標，而且設計和試驗可以同步進(jìn)行，能夠完成各種類(lèi)型的電路設計和試驗。本文基于Multisim10.1，用美國NS公司的LM339仿真和設計了三種比較器電路。 2 比較器的特點(diǎn)及分類(lèi) 2.1 比較器的特點(diǎn) 由于比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即低電平或電源電壓，具有滿(mǎn)電源擺幅特性的比較器輸出級為射極跟隨器，這使得其輸出信號與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。CMOS滿(mǎn)擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的MOSFET，與雙極型晶體管結構相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。 2.2 比較器的分類(lèi) 按一個(gè)器件上所含有電壓比較器的個(gè)數，可分為單、雙和四電壓比較器;按功能，可分為通用型、高速型(傳播延遲少于50ns)、微功率比較器(靜態(tài)電流低于20mA)、低電壓型(電源電壓低于5V)和高精度型電壓比較器;按輸出方式，可分為集電極(或漏極)(Open-Drain)開(kāi)路輸出和推拉式(Push-Pull)輸出結構兩種情況。多數比較器的輸出為集電極開(kāi)路結構，如LM339、MAX918等使用時(shí)需要上拉電阻。 3 電壓比較器的選擇 3.1 電源電壓范圍、共模范圍 比較器使用時(shí)有雙電源供電、單電源供電兩種情況，要根據功能要求選擇供電方式。為了使比較器正常工作，首先電源電壓要在所使用的比較器的允許電壓范圍之內，其次一定要保證兩端輸入信號不超過(guò)比較器規定的共模范圍。 3.2 滯回電壓與失調電壓 由于比較器的輸入端常常疊加有很小的波動(dòng)電壓，這些波動(dòng)所產(chǎn)生的差模電壓會(huì )導致比較器輸出發(fā)生連續變化。為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點(diǎn)變?yōu)閮蓚�(gè)：一個(gè)用于檢測上升電壓，一個(gè)用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門(mén)限(VTRIP+)與低電壓門(mén)限(VTRIP-)之差等于滯回電壓(VHYST)，比較器的失調電壓(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。失調電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的不同而變化。 圖1 開(kāi)關(guān)門(mén)限、滯回和失調電壓 3.3 輸出延遲 輸出延遲時(shí)間是選擇比較器的關(guān)鍵參數，包括信號通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號的上升時(shí)間與下降時(shí)間。傳輸延遲是指由施加一個(gè)差分信號與切換狀態(tài)的輸出極之間的時(shí)間延遲。上升時(shí)間與下降時(shí)間一般是指輸出電壓的10%至90%的時(shí)間。對于高速比較器，如MAX961，其延遲時(shí)間的典型值達到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns。設計時(shí)需注意不同因素對延遲時(shí)間的影響，其中包括溫度、容性負載、輸入過(guò)壓驅動(dòng)等因素，電源電壓對傳輸延時(shí)也有較大影響。 4 常見(jiàn)的問(wèn)題與解決方法 在使用電壓比較器過(guò)程中發(fā)現有時(shí)不輸出高電平，這很可能由于使用的比較器的輸出結構是集電極開(kāi)路結構，這種情況下只需要加一個(gè)上拉電阻即可，通常選用上拉電阻3-15KΩ。 比較器產(chǎn)生振蕩難以控制，可能的原因及解決方法如下： (1)旁路電容器問(wèn)題。印制線(xiàn)路板上，電源線(xiàn)導電帶會(huì )產(chǎn)生不利的直流電阻和電感。當輸出狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì )引起電源電壓的波動(dòng)，通過(guò)地線(xiàn)和電源線(xiàn)反饋到輸入端。所以在安裝低漏電電容(0.1 μF陶瓷電容)時(shí)應盡可能靠近比較器的電源引腳，以便在高速切換期間使電容器作為低阻抗能量?jì)Υ嫫鳌?br /> (2)比較器的接地問(wèn)題。要使接地引線(xiàn)盡可能短,最好接到接地平面(避免使用插座),以減小通過(guò)引線(xiàn)電感的耦合作用。輸入端的信號源高阻抗和雜散電容也會(huì )產(chǎn)生振蕩。為得到最佳測試結果，使用最短接地引線(xiàn)(小于25 cm)以使引線(xiàn)電感量最小。 改變比較器的輸入電壓，當它通過(guò)閾值電壓時(shí)，比較器輸出端似乎出現“震顫”，得不到一個(gè)平整的轉換波形。這通常是由于比較器的高增益和寬頻帶造成的，噪聲放大后和信號一樣通過(guò)轉變區，產(chǎn)生來(lái)回跳動(dòng)。而且比較器在轉變期間其增益比較高，由于反饋增加而引起振蕩。如果有可能，將信號進(jìn)行濾波以減小或消除噪聲。 有時(shí)會(huì )遇到比較器出現意想不到的現象，問(wèn)題可能在于輸入信號的共模范圍。比較器的兩個(gè)輸入端具有較大的差分電壓擺動(dòng)。如果兩端輸入電壓超過(guò)器件規定的共模范圍(甚至在規定的信號范圍以?xún)?，比較器可能錯誤響應。為了使比較器正常工作，一定要保證兩端輸入信號不超過(guò)比較器規定的共模范圍。例如AD790差分輸入信號范圍為±VS，但其共模范圍為-VS至+VS/2。 5 電壓比較器的應用 NS公司的LM339的兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，因此，用在弱信號檢測等場(chǎng)合是比較理想的。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 5.1 單限比較器的應用 單限比較器在檢測系統中得到廣泛的應用。例如在某彈藥檢測系統中，電壓信號經(jīng)過(guò)整流和分壓后通過(guò)電壓比較器LM339，當電壓大于設定值時(shí)，電壓比較器輸出高電平，觸發(fā)下一級的單穩態(tài)芯片。用信號發(fā)生器提供正弦信號代替待比較信號，Multisim10.1仿真電路及結果如圖2所示。 圖2 單限比較器仿真電路及結果 5.2 過(guò)零比較器的應用 在對彈丸測量速度時(shí)，線(xiàn)圈靶是一種常用的非接觸型區截裝置，彈丸通過(guò)時(shí)產(chǎn)生上升段與下降段的斜率不相等的類(lèi)似正弦波信號。通常采用過(guò)零比較器取信號的過(guò)零點(diǎn)作為啟、止觸發(fā)信號。當輸入信號小于比較電平時(shí)，輸出端為高電平，此時(shí)二極管D2截止，D1導通，+5V電壓經(jīng)過(guò)R1和R2分壓，在同相輸入端分得電壓V+=+1.5V，這是第一個(gè)比較電平。當送來(lái)的信號達到此電平時(shí)，輸出端由高電平跳變到低電平，使D2導通，D1截止，同相端電平從+1.5V跳變到零伏，這個(gè)V+=0V 就是第二個(gè)比較電平，即送來(lái)的信號經(jīng)過(guò)半個(gè)周期回到零電平時(shí)，輸出又從低電平跳回到高電平，同相端電平又跳回到+1.5V。在送來(lái)的信號的正半周中，比較器輸出一個(gè)負方波，這個(gè)方波的后沿對應著(zhù)感應信號的過(guò)零點(diǎn)，這個(gè)方波的后沿就是啟、止觸發(fā)信號的觸發(fā)沿。Multisim10.1仿真電路及結果如圖3所示。 圖3 過(guò)零比較器仿真電路及結果 5.3 窗口比較器的應用 在某彈藥檢測過(guò)程中，紅外探測器接收紅外信號變化，通過(guò)比較器提供啟動(dòng)、停止信號。為了提高檢測的準確度，減小干擾，選用窗口比較器。當輸入信號絕對值大于1V時(shí)，輸出高電平，Multisim10.1仿真電路及結果如圖4所示。 圖4 窗口比較器仿真電路及結果 5 結束語(yǔ) 電壓比較器既可以用來(lái)比較模擬電平，并給出比較結果(可以用數字量描述)，又可以作為模擬電路和數字電路之間的接口電路，在檢測技術(shù)中得到廣泛的應用。 |
