干货｜比较器器电路详细讲解，工作原理+灵敏度问题
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一、什么是比较器？
比较器，具有两个模拟电压输入端UIN+和UIN-，一个数字状态输出端UOUT，输出端只有两种状态，用以表示两个输入端电位的高低关系：
UH代表高电平，UL代表低电平，具体的电位值，取决于系统的定义。常见的数字系统中，3.3V代表高电平，0V代表低电平；也有12V/5V代表高电平，0V代表低电平。
高低电平的本质：可以明显区分的电位。
实现比较器的方法：
专门的比较器
运放实现比较器（不推荐）
二、用运放实现比较器
用运放实现比较器，局限性较大，一般不被建议，在要求不高的场合，运放可作为比较器。
三、简单的运放比较器
1、理想比较器
作比较器应用时，一般都是将一个输入端接成固定电位，称为基准，用UREF表示，用另一个输入端接被测电位uI，用于衡量被测电位与基准的关系。
理想运放与其输入输出关系
上图为理想运放与其输入输出关系。图中输出只有两种状态：UH和UL。用运放实现的比较器，具有极高的开环增益（不是工作在负反馈状态下）：
当输入电压大于基准电压时，两者的差乘以开环增益，一般都会超过正电源电压，而使实际运放输出为正电源电压（轨对轨运放）。
当输入电压小于基准电压时，两者的差（负值）乘以开环增益，一般都会低于负电源电压，而使运放的实际输出为负电源电压。
2、实际比较器
实际比较器
该曲线中的红色虚线区域为比较器的不灵敏区。发生在输入电压非常接近基准电压时，输出是一个不确定的值。理想运放组成的比较器，不灵敏区为0.
这里有个思考的问题：不灵敏区越小越好或者说比较器越灵敏越好吗？
四、比较器的灵敏度问题
对于一个过于灵敏的比较器，往往会给系统带来麻烦。因为日常生活的输入信号，它并不是一个理想的信号，它是包含噪声信号的。
比较器灵敏度问题
将图中蓝色区域展开，可发现：对于一个非常灵敏的比较器， 噪声信号是波动的，经常会在某个点低于基准点，从而使比较器发生翻转。这就形成了有点所示的很多较小时间的脉冲，而这往往是不准确的。
举个例子：生活中有些场所是有人员限制的，在进出口安装红外发生器和接收器，一旦有人经过就产生一个脉冲，但是给与比较器判断的信号是有干扰的，如果明明进去一个人，但是像右图所示产生了7个脉冲，判断有7个人进去了，这是不准确的。我们可以通过软件编程的方式判断脉冲的时间，过小的时间不可能进去一个人，从而剔除干扰信号；也可以在模拟电路阶段采取迟滞比较的方式来剔除。
如果把基准电压从单个变成两个呢？只有一个基准电压，称为单门限比较器；
五、迟滞比较器
迟滞比较器
如图所示：两个黄线表示两个基准电压，可以看出右边黄线区间内的噪声信号被滤除了，虽然这种情况还是存在噪声干扰，但是明显比单门限好得多。这两个基准电压越接近，效果就越接近单门限的效果。
迟滞比较器
原理：
当输入电压足够负时，运放的负输入端电压总是小于正输入端，因此输出一定是正电源电压+VCC(近似)，此时运放的正输入端作为比较基准，为kVCC：
k=R1/R1+R2
随着输入电压逐渐增大，工作点沿着红色线一直向右移动， 到达B点，输入电压大于kVCC，此时运放的正输入端电压小于负输入端电压，输出变为-VEE，即从B点处红色跌落。此时，比较基准立即改变：由原先的kVCC变为-kVEE。这就表示：此时就算输入电压发生轻微的逆向翻转，比较器也不翻转。
图中：假设从 A 开始，到 B 点翻转，到 C点，红色线一直向右，然后以绿色线回转到达kVCC 处，比较器不翻转，沿着绿色线一直到 D 点，才回到 A 点（重新回到高电平）。
拓展：
这个比较器的输出状态，不仅仅与输入状态相关，还与当前的输出状态有关，使得输入输出伏安特性曲线，呈现出类似迟滞回线的形态，因此称为迟滞比较器。
迟滞比较器看起来比较迟钝，但是带来的好处是：只有明确的、强有力的输入，才能引起输出改变，而一旦改变，想要恢复，也得特别厉害的反向动作。
迟滞比较器
六、多种形态的迟滞比较器
前面提到的只是迟滞比较器的一种，它的伏安特性曲线是顺时针旋转的，且它的两个阈值电压是基于0V对称的。当接入一个基准电压UREF这就是更为常用的比较器。
多种形态的迟滞比较器
分析：
假设运放输出高电平为 UOH（对理想运放来说，此值为VCC），输出低电平为UOL，那么对输入信号，电路有两个比较翻转点，较大的一个称为UR+，较小的称为UR-。
设正反馈系数为k，k值越接近于1，说明反馈越强烈，迟滞窗口越宽：
k=R1/R1+R2
当输出为高电平时，翻转点为：
U R + = UOHk + UREF ( 1 − k )
当输出为低电平时，翻转点为：
U R − = UOLk + UREF (1 − k )
如果UOH=-UOL，即输出对称，可得到：
U R + = ( 1 − k ) UREF + 0.5 U WDU
U R − = ( 1 − k ) UREF − 0.5 UWU
其中，UWD代表两个比较阈值之间的电压宽度，或者叫窗口电压。
UWD = UREF + − U REF − = ( VCC + VEE*（R1/R1+R2）)
拓展：
合理地选择电路结构，选择电阻值，可以做出符合设计要求的迟滞比较器：可改变顺逆结构，可以改变中心阈值，可以改变阈值窗口电压。
叠加原理分析
七、TINA-TI仿真
1、过零比较器
信号源VG1上叠加一个噪声源VG2：
过零比较器
波形如下：
过零比较器波形
过零点展开：
过零比较器波形过零点展开
2、迟滞过零比较器
加入迟滞：
迟滞过零比较器
波形如下：
迟滞过零比较器波形
过零点展开：
迟滞过零比较器过零点展开
七、特点（缺点）
运放的输出取决于供电电压，与数字电平不一定匹配。
运放存在严重的过驱恢复时间，不利于高速运行。
运放灵敏度过高。
八、专门的比较器（实际比较器）
下面为LM311/LM111数据手册：
LM311/LM111数据手册
TINA-TI仿真
实际比较器TINA-TI仿真
波形：
实际比较器波形图
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