電壓比較器它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產生和變換電路等。利用簡單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。電壓比較器是對輸入信號進行鑒別與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。常用的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器、窗口比較器、三態(tài)電壓比較器等。

電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)：當”+”輸入端電壓高于”-”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平;當”+”輸入端電壓低于”-”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平;可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。工作在線性工作區(qū)時特點是虛短，虛斷;工作在非線性工作區(qū)時特點是跳變，虛斷;由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運放常工作在非線性區(qū)。從電路結構上看，運放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉換更加快速，以提高響應速度，一般在電路中接入正反饋。

電壓比較器的原理框圖及其引腳功能

電壓比較器內部含輸入級、中間放大器和輸出級電路，我們需要掌握的是輸入端和輸出端之間的關系，由此分析電路原理和找到故障檢測方法。如前述，運算放大器開環(huán)應用時，即為(不太精確的)電壓比較器。但放大器的比較特性并不理想，專業(yè)的設計和專業(yè)的性能需要由專業(yè)器件來保障，在應用到電壓比較器的場所，大多還是采用專用的電壓比較器。其中，集電極開路輸出級(又稱OC門輸出級)型專用電壓比較器的應用尤為廣泛，在變頻器電路中，通常用到的僅為14腳(四比較器)和8腳(雙比較器)兩種器件，其代表器件型號為LM339、LM393，引腳功能見圖所示。

電壓比較器原理框圖與引腳功能

8腳(雙比較器)的引腳排列同8腳運放器件是相同的。14腳略有不同，輸出端集中在1、2、13、14腳，供電端為3、12腳。剩余腳為輸入腳，奇數(shù)腳為同相輸入端，偶然腳為反相輸入端。其引腳功能是不難記憶的。

電壓比較器的供電腳特意標注為V+/Vcc、V-/GND，說明其電源供給是較為靈活的，可以單電源供電，如+5V或+12V、+15V等，也可以雙電源供電，如±15V、±12V等。

電壓比較器的電路構成

1、電壓比較器符號及基本電路

同運放原理的講解一樣，將輸出級電路搬到經典電壓比較器符號的外部(創(chuàng)意原理符號)，再進而確定兩輸入端和輸出端(或輸出級)的對應關系，則其工作原理就呼之欲出了。

圖1 常規(guī)電壓比較器符號、創(chuàng)意原理符號與應用電路

從常規(guī)符號(圖1中a圖)看，電壓比較器也為三端元件，即兩輸入端，一輸出端。其輸入、輸出的關系為：

當IN+》 IN-時，OUT端為高電平“1”;

當IN- 《 IN+時，OUT端為低電平“0”。

這也是做為電壓比較器原理及故障判斷的一個根本原則。

從創(chuàng)間原理符號(圖1中b圖)看，當IN-》 IN+時，內部輸出級晶體管Q導通，輸出端相當于與供電負端短接，因而輸出低電平“0”，此低電平可能為0V，也可能是-15V(和供電負端電平相關)。

因電路為開路集電極輸出形式，故輸出端需加上位電阻R，以形成高電平“1”輸出。

從應用電路(圖1中c圖)看，當當IN+》 IN-時，內部Q截止，OUT端變?yōu)楦唠娖健４藭r輸出端高電平的幅度完全取決于上拉Vcc的電平幅度。如Vcc為+5V，電路輸出高電平則為+5V;如Vcc為+15V，電路輸出高電平則為+15V。

此處輸出端上接電源Vcc，既可以是電壓比較器的供電電源，也可以是(共地的)另外的電壓級別。做為模-數(shù)轉換(接口)電路，為適應數(shù)字(或MCU器件)的供電電源要求，電壓比較器輸出端多經上拉電阻R接+5V電源(DSP器件，上接電阻則接入+3.3V電源正端)。

2、輸出端電路形式

當比較器供電為±15V雙電源(比如直接采用運放器件的電源供電)，或輸出端上拉電源為+15V，而輸出端又要與后級(+5V供電數(shù)字電路系統(tǒng))電路相連接時，那么輸出級外圍電路就要妥善完成前后級電路電平銜接的任務了。

電壓比較器的后級電路為MCU芯片時，MCU對輸入信號有3項要求：

輸入信號幅度不大于+5V;

因MCU為單電源供電，不要負的輸入信號;

只要電壓信號，不要電流信號。

圖2 電壓比較器輸出端電路形式

圖2中a電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R接+5V，實現(xiàn)了前后級電平的自然對接，無須采用輸出電平鉗位等相關措施。

圖2中b電路，比較器供電為+15V，輸出端上拉電阻R也接+15V，電路的高電平輸出幅度超出后級電路的承受能力，此處加單向鉗位二極管D1以限制最高輸入電平(將輸出高電平鉗位在+5V電源電平附近)，或由分壓電路將輸出電平進行衰減。由電壓接法可知，當當IN+》 IN-時，輸出端變?yōu)楦唠娖剑蒁1的嵌位作用，使輸出端電壓為+5V+D1的導通管壓降(一般約為0.6V左右)≈+5.6V。

圖2中c電路，比較器供電為±15V雙電源，輸出端上拉電阻R接+15V。電壓輸出端的高電平為+15V，而低電平為-15V，二者都不符合后級電路的輸入電平要求。一般采用添加R2限流電阻和雙向錯位二極管D1、D2的方法，進行輸出端電壓鉗位。將電壓比較器輸出的±15V高、低電平嵌位成-0.6V~+5.6V左右的電壓信號(換言之，即將輸出信號嵌位于0和+5V的供電電源電壓范圍以內)。

3、輸入端基準電壓的來源

針對最基本的電壓比較器——單級比較器來說，IN+和IN-兩個輸入端，必定要有其一做為比較基準端，另一端則做為信號電壓輸入端。基準電壓通常由以下幾種方式生成(以下圖例將電壓比較器恢復為常規(guī)符號)：

(1)直接由+5V電源(或±15V)電源經電阻分壓取得;

(2)由專用基準電壓源或三端穩(wěn)壓器取得;

(3)由運算放大器生成。

圖3 電壓比較器基準電壓的來源

如上圖3所示，基準(比較)電壓可由供電電源經電阻分壓取得;亦可由基準電壓源或三端穩(wěn)壓器取得更為精準的基準電壓;圖3中的c電路，是由運放N1取得-2.5V基準電壓后，送入電壓比較器N2的反相輸入端做為比較基準的。

由圖3可看出：

輸入信號即可進入反相輸入端，也可進入同相輸入端。

比較器供電可以單電源，可以雙電源。單(正)電源供電時，不能輸入負的信號電壓;

因其供電形式不同，除決定輸入信號的極性外，其輸出級外圍電路也有相應差異;

輸入的另一端即可做為基準比較端(電壓比較器必須有基準比較端)，通常此端電壓不為0V，為一固定不變之電壓。輸入信號端與基準端電壓相等的概率近乎為0，因而兩輸入端大部分時間內是有電壓差的，隨輸入信號電壓的變化，該電壓差也是變化的。