比较器的电压传输特性与开环下的集成运放特性

比较器是一种能够执行比较两个输入端的电流或电压功能的电路或器件。它有两个输入端Vi+和Vi-，以及一个输出端Vout。输入端连接模拟信号，输出端连接数字信号。输出要么高，要么低。具体高电平由外部电压幅值任意确定。

图1 比较器符号

选择其中一个输入端子作为参考点（REF）进行比较。例如，选择同相输入端V2作为参考。当反相输入端V1大于V2时，Vout输出低电平；当V1小于V2时，Vout输出高电平。。可见，输出端的状态代表了两个输入之间的净差的符号，参考电压V2称为比较器的阈值电压UT。由于比较器实际上是一个1位模数转换器(ADC)，因此它是ADC中必不可少的组件。

电压比较器的输出电压uo与输入电压ui之间的函数关系称为其电压传输特性，即uo=f(ui)。由于比较器和集成运放在开环时的特性比较相似，因此不妨先回顾一下运放的电压传输特性，如图2所示。

图2 运放的电压传输特性

比较器与运放的电压传输特性的主要区别在于比较器是开环输出，无负反馈，无相位补偿，因此其翻转速度比运放快。其次，由于比较器一般为集电极开路输出，其输出高电平电压不是由电源轨决定，而是由外部电路决定。一般来说，如果忽略翻转时间，其电压传输特性大约如图3所示。

图3 比较器的电压传输特性

比较器电压传输特性除了上面提到的输出高低电平UOH&UOL和阈值电压UT外，还有第三大要素——ui变化并经过UT时uo跳变的方向。图4显示，当参考电压施加到反相端和非反相端时，输出电压跳变方向相反。

图4 参考电压分别施加到反相端（左）和非反相端（右）。

下图是TI某比较器的原理图。可以发现，输入级同样采用了差分放大电路，而输出级则与运放不同——它采用了集电极开路的形式。

图5 TI某比较器原理图（datasheet来自官网）

2.比较器和运算放大器的联系和区别

1、结构性差异

1）与运放的推挽输出方式相比，比较器采用集电极开路输出，需要上拉电阻。

图 6 比较器输出上拉

2）为了加快响应速度，比较器的中间级很少，并且没有内部频率和相位补偿。如图4所示，可以发现比较器没有中间级，只有输入级和输出级。

2. 开环和闭环

运放一般工作在闭环负反馈状态（线性区），其主要作用是放大输入信号；比较器工作在开环状态（非线性区），其主要作用是对输入信号进行比较判别，比较翻转速度。快的。

当速度要求不高时，运放可以工作在开环，用作比较器，但输出会受到电源轨的限制，因此需要注意电平匹配问题。相反，电压比较器大多数情况下不能用作运算放大器电压比较器原理，主要是因为比较器不进行相位补偿，闭环容易不稳定。

3、输出信号形式及响应速度

1）与运放输出模拟信号相比，比较器输出对应数字0和1的高低电平。集电极开路使其与 TTL 或 CMOS 兼容。

2）与运放相比，比较器的响应速度更快，这也是因为其内部没有相位补偿。

3、比较器的应用

1. 过零比较器

过零比较器将参考电压设置为Uref=0

图7 过零比较器（反相端作为参考）

图8 过零比较器（同相端作为参考）

2. 磁滞比较器

对于上述简单比较器，当两个输入信号非常接近时，由于输入电压的毛刺，输出会不断跳变。这就是所谓的振铃效应。为了解决这个问题，人们设计了磁滞比较器。由于磁滞比较器的输入电压逐渐增大或减小，因此存在两个不相等的阈值。其传输特性呈磁滞曲线形状，因此具有很强的抗干扰能力。迟滞比较器可分为向上迟滞（即同相输入、反相参考）和向下迟滞（即反相输入、同相参考）。根据参考电压是否为零，可分为有参考电压和无参考电压。电压。