电压比较器在检测系统中的应用

1 引言

　　电压比较器是用来比较两个或两个以上模拟电平，并给出结果的功能部件[1]。它将一个输入模拟电压信号与设置的参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将跃变成相应的高电平或低电平，在模拟与数字信号转换等领域得到广泛的应用。

　　Multisim是较为优秀的电路仿真软件，它提供的虚拟仪器和分析方法不仅可以及时的看到电路的运行状态、测量电路的性能指标，而且设计和试验可以同步进行，能够完成各种类型的电路设计和试验[2]。本文基于Multisim10.1，用美国NS公司的LM339仿真和设计了三种比较器电路。

2 比较器的特点及分类

　　2.1 比较器的特点

　　由于比较器仅有两个不同的输出状态，即低电平或电源电压，具有满电源摆幅特性的比较器输出级为射极跟随器，这使得其输出信号与电源摆幅之间仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的集电极与发射极之间的电压。CMOS满摆幅比较器的输出电压取决于饱和状态下的MOSFET，与双极型晶体管结构相比，在轻载情况下电压更接近于电源电压。

　　2.2 比较器的分类

　　按一个器件上所含有电压比较器的个数，可分为单、双和四电压比较器;按功能，可分为通用型、高速型(传播延迟少于50ns)、微功率比较器(静态电流低于20mA)、低电压型(电源电压低于5V)和高精度型电压比较器;按输出方式，可分为集电极(或漏极)(Open-Drain)开路输出和推拉式(Push-Pull)输出结构两种情况。多数比较器的输出为集电极开路结构，如LM339、MAX918等使用时需要上拉电阻。

3 电压比较器的选择

　　3.1 电源电压范围、共模范围

　　比较器使用时有双电源供电、单电源供电两种情况，要根据功能要求选择供电方式。为了使比较器正常工作，首先电源电压要在所使用的比较器的允许电压范围之内，其次一定要保证两端输入信号不超过比较器规定的共模范围。

　　3.2 滞回电压与失调电压

　　由于比较器的输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化。为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个：一个用于检测上升电压，一个用于检测下降电压(图1)。高电压门限(VTRIP+)与低电压门限(VTRIP-)之差等于滞回电压(VHYST)，比较器的失调电压(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。失调电压(即切换电压)一般随温度、电源电压的不同而变化。

　　图1 开关门限、滞回和失调电压

　　3.3 输出延迟

　　输出延迟时间是选择比较器的关键参数，包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间。传输延迟是指由施加一个差分信号与切换状态的输出极之间的时间延迟。上升时间与下降时间一般是指输出电压的10%至90%的时间。对于高速比较器，如MAX961，其延迟时间的典型值达到4.5ns，上升时间为2.3ns。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过压驱动等因素，电源电压对传输延时也有较大影响。

4 常见的问题与解决方法

　　在使用电压比较器过程中发现有时不输出高电平，这很可能由于使用的比较器的输出结构是集电极开路结构，这种情况下只需要加一个上拉电阻即可，通常选用上拉电阻3-15KΩ[3]。

　　比较器产生振荡难以控制，可能的原因及解决方法如下：

　　(1)旁路电容器问题。印制线路板上，电源线导电带会产生不利的直流电阻和电感。当输出状态改变时产生的瞬态电流会引起电源电压的波动，通过地线和电源线反馈到输入端。所以在安装低漏电电容(0.1 μF陶瓷电容)时应尽可能靠近比较器的电源引脚，以便在高速切换期间使电容器作为低阻抗能量储存器。

　　(2)比较器的接地问题。要使接地引线尽可能短,最好接到接地平面(避免使用插座),以减小通过引线电感的耦合作用。输入端的信号源高阻抗和杂散电容也会产生振荡。为得到最佳测试结果，使用最短接地引线(小于25 cm)以使引线电感量最小。

　　改变比较器的输入电压，当它通过阈值电压时，比较器输出端似乎出现“震颤”，得不到一个平整的转换波形。这通常是由于比较器的高增益和宽频带造成的，噪声放大后和信号一样通过转变区，产生来回跳动。而且比较器在转变期间其增益比较高，由于反馈增加而引起振荡。如果有可能，将信号进行滤波以减小或消除噪声。

　　有时会遇到比较器出现意想不到的现象，问题可能在于输入信号的共模范围。比较器的两个输入端具有较大的差分电压摆动。如果两端输入电压超过器件规定的共模范围(甚至在规定的信号范围以内)，比较器可能错误响应。为了使比较器正常工作，一定要保证两端输入信号不超过比较器规定的共模范围。例如AD790差分输入信号范围为±VS，但其共模范围为-VS至+VS/2。

5 电压比较器的应用

　　NS公司的LM339的两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，用在弱信号检测等场合是比较理想的。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

　　5.1 单限比较器的应用

　　单限比较器在检测系统中得到广泛的应用。例如在某弹药检测系统中，电压信号经过整流和分压后通过电压比较器LM339，当电压大于设定值时，电压比较器输出高电平，触发下一级的单稳态芯片。用信号发生器提供正弦信号代替待比较信号，Multisim10.1仿真电路及结果如图2所示。

　　图2 单限比较器仿真电路及结果

　　5.2 过零比较器的应用

　　在对弹丸测量速度时，线圈靶是一种常用的非接触型区截装置，弹丸通过时产生上升段与下降段的斜率不相等的类似正弦波信号[4]。通常采用过零比较器取信号的过零点作为启、止触发信号。当输入信号小于比较电平时，输出端为高电平，此时二极管D2截止，D1导通，+5V电压经过R1和R2分压，在同相输入端分得电压V+=+1.5V，这是第一个比较电平。当送来的信号达到此电平时，输出端由高电平跳变到低电平，使D2导通，D1截止，同相端电平从+1.5V跳变到零伏，这个V+=0V 就是第二个比较电平，即送来的信号经过半个周期回到零电平时，输出又从低电平跳回到高电平，同相端电平又跳回到+1.5V。在送来的信号的正半周中，比较器输出一个负方波，这个方波的后沿对应着感应信号的过零点，这个方波的后沿就是启、止触发信号的触发沿。Multisim10.1仿真电路及结果如图3所示。

　　图3 过零比较器仿真电路及结果

　　5.3 窗口比较器的应用

　　在某弹药检测过程中，红外探测器接收红外信号变化，通过比较器提供启动、停止信号[5]。为了提高检测的准确度，减小干扰，选用窗口比较器。当输入信号绝对值大于1V时，输出高电平，Multisim10.1仿真电路及结果如图4所示。

　　图4 窗口比较器仿真电路及结果

5 结束语

　　电压比较器既可以用来比较模拟电平，并给出比较结果(可以用数字量描述)，又可以作为模拟电路和数字电路之间的接口电路，在检测技术中得到广泛的应用。