電壓比較器的學習方法

歐陽宏志

(南華大學電氣工程學院,湖南衡陽 421001)

電壓比較器是集成運放工作在非線性區的典型應用,是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路,是組成非正弦波發生器的基本單元。可用于報警器電路、自動控制電路和測量電路,也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路和過零檢測電路等。本文重點介紹電壓比較器典型電路的“三階段”分析方法,為電子設計與故障診斷提供理論依據。

1 概述

電壓比較器中的運放一般處于開環狀態或接入正反饋,運放工作在非線性狀態,U--U+≠0,不具備“虛短”特點。且U--U+的大小將決定輸出[1]:

某時刻兩輸入端誰的電位高,輸出就反映誰的特征。當U+>U-,輸出Uo趨于正向飽和;當U+

(1)輸出電壓高、低電平的數值(一般由運放輸出限幅電路求出);

(2)閾值電壓的大小(寫出U-和U+的表達式令其相等,求出的輸入電壓即UT);

(3)輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向(輸入作用于反相端還是同相端,另外看Ui>UT還是Ui

2 三種主要的電壓比較器

2.1 單限比較器

如圖1所示的單限比較器只有一個閥值電壓。輸入電壓逐漸增大或者減小過程中,當通過閥值電壓時,輸出電壓產生躍變,從高電平躍變為低電平,或者從低電平躍變為高電平。

圖1 單限比較器及其電壓傳輸特性

2.2 滯回比較器

為了提高電路的抗干擾的能力,在單限比較器的基礎上引入正反饋網絡,則成了如圖2所示的具有兩個閥值電壓的滯回比較器[3]。輸入電壓的變化方向不同,閾值電壓也不同。它與單限比較器的相同之處在于:當輸入電壓向單方向變化時,輸出電壓只躍變一次。

圖2 滯回比較器及其電壓傳輸特性

2.3 窗口比較器

如圖3所示的窗口比較器又叫雙限比較器,常用兩個比較器組成。窗口比較器同樣具有兩個閥值電壓,與前兩種的區別在于輸入電壓在單一方向變化過程中,輸出電壓躍變兩次。

圖3 窗口比較器及其電壓傳輸特性

3 實例剖析

3.1 散熱風扇自動控制電路

這里介紹一種極簡單的溫度控制電路,如圖4所示[4]。負溫度系數(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率器件的溫度。當5V電壓加在RT及R1電阻上時,在A點有一個電壓VA。當散熱片上的溫度上升時,則熱敏電阻RT的阻值下降,使VA上升。RT的溫度特性如圖5所示。如果我們設定在80℃時應接通散熱風扇,這80℃即設定的閾值溫度TTH,在特性曲線上可找到在80℃時對應的RT的阻值。R1的阻值是不變的,則可以計算出在80℃時的VA值。

圖4 溫度控制電路

R2與RP組成一個分壓器。當5V電源電壓是穩定電壓時,調節RP可以改變VB的電壓。VB值為比較器設定的閾值電壓,稱為VTH。設計時希望散熱片上的溫度T一旦超過80℃時接通散熱風扇實現散熱,則VTH的值應等于80℃時的VA值。一旦出現VA>VTH,則比較器輸出低電平,繼電器K吸合,散熱風扇得電工作,使大功率器件降溫。VA和VTH電壓變化及比較器輸出電壓VOUT的特性曲線如圖6所示。這里要說清楚的是在VA開始大于VTH時,風扇工作,但散熱體有較大的熱量,要經過一定時間才能把溫度T降到80℃以下。

從圖4所示的溫度控制電路可以看出,要改變閾值溫度 TTH十分方便,只要相應地改變VTH值即可。VTH值增大,TTH增大;反之亦然。只要RT值及其溫度特性確定,便可求出R1、R2和 RP。

3.2 電磁爐過壓保護電路

圖5 RT的溫度特性曲線

圖6 Vout隨VA變化曲線

圖7為某電磁爐的電網過電壓檢測電路。電網正常時,LM339的U4<2.8V,U5=2.8V,輸出開路,過電壓保護電路不工作,作為正反饋的射極跟隨器BG1是導通的。當電網電壓大于242V時,U4>2.8V,比較器翻轉,輸出為0V,BG1截止。U5的電壓就完全決定于R1與R2的分壓值,為2.7V,促使U4更大于U5,這可避免過壓點附近由于電網電壓波動導致的不穩定。在過電壓保護后,電網電壓下降到242-5=237V時,U4

圖7 電磁爐過壓保護電路

4 結語

電壓比較器的設計是針對電壓門限比較而用的,要求的比較門限精確,比較后的輸出邊沿上升或下降時間要短,輸出符合T TL/CMOS電平或OC門等,不要求中間環節的準確度。一般情況用運放做電壓比較器,通常達不到滿幅輸出,或比較后的邊沿時間過長,因此設計中少用運放做電壓比較器為佳。電壓比較器電路分析較復雜,而且容易與運放構成的放大電路混淆,我們只要掌握“三階段”學習方法,抓住要點,再加上在實踐中適時比較、歸納和總結,不管是對于電子工程設計還是電子設備維修,都是大有裨益的。

[1] 康華光.電子技術基礎模擬部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006:454-461

[2] 童詩白,華成英.模擬電子技術基礎(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006:423-433

[3] 乜國荃.集成運放和電壓比較器[J].甘肅:青海師范大學學報(自然科學版),2006(2):48-49

[4] 王俊峰.實用電路手冊[M].北京:機械工業出版社,2009:324-328