電壓比較器在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　電壓比較器是用來比較兩個(gè)或兩個(gè)以上模擬電平，并給出結(jié)果的功能部件[1]。它將一個(gè)輸入模擬電壓信號與設(shè)置的參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將躍變成相應(yīng)的高電平或低電平，在模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　Multisim是較為優(yōu)秀的電路仿真軟件，它提供的虛擬儀器和分析方法不僅可以及時(shí)的看到電路的運(yùn)行狀態(tài)、測量電路的性能指標(biāo)，而且設(shè)計(jì)和試驗(yàn)可以同步進(jìn)行，能夠完成各種類型的電路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[2]。本文基于Multisim10.1，用美國NS公司的LM339仿真和設(shè)計(jì)了三種比較器電路。

　　2 比較器的特點(diǎn)及分類

　　2.1 比較器的特點(diǎn)

　　由于比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即低電平或電源電壓，具有滿電源擺幅特性的比較器輸出級為射極跟隨器，這使得其輸出信號與電源擺幅之間僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內(nèi)部晶體管飽和狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極之間的電壓。CMOS滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態(tài)下的MOSFET，與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。

　　2.2 比較器的分類

　　按一個(gè)器件上所含有電壓比較器的個(gè)數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器;按功能，可分為通用型、高速型(傳播延遲少于50ns)、微功率比較器(靜態(tài)電流低于20mA)、低電壓型(電源電壓低于5V)和高精度型電壓比較器;按輸出方式，可分為集電極(或漏極)(Open-Drain)開路輸出和推拉式(Push-Pull)輸出結(jié)構(gòu)兩種情況。多數(shù)比較器的輸出為集電極開路結(jié)構(gòu)，如LM339、MAX918等使用時(shí)需要上拉電阻。

　　3 電壓比較器的選擇

　　3.1 電源電壓范圍、共模范圍

　　比較器使用時(shí)有雙電源供電、單電源供電兩種情況，要根據(jù)功能要求選擇供電方式。為了使比較器正常工作，首先電源電壓要在所使用的比較器的允許電壓范圍之內(nèi)，其次一定要保證兩端輸入信號不超過比較器規(guī)定的共模范圍。

　　3.2 滯回電壓與失調(diào)電壓

　　由于比較器的輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產(chǎn)生的差模電壓會導(dǎo)致比較器輸出發(fā)生連續(xù)變化。為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾mV的滯回電壓。滯回電壓的存在使比較器的切換點(diǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)：一個(gè)用于檢測上升電壓，一個(gè)用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門限(VTRIP+)與低電壓門限(VTRIP-)之差等于滯回電壓(VHYST)，比較器的失調(diào)電壓(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。失調(diào)電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的不同而變化。

　　圖1 開關(guān)門限、滯回和失調(diào)電壓

　　3.3 輸出延遲

　　輸出延遲時(shí)間是選擇比較器的關(guān)鍵參數(shù)，包括信號通過元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號的上升時(shí)間與下降時(shí)間。傳輸延遲是指由施加一個(gè)差分信號與切換狀態(tài)的輸出極之間的時(shí)間延遲。上升時(shí)間與下降時(shí)間一般是指輸出電壓的10%至90%的時(shí)間。對于高速比較器，如MAX961，其延遲時(shí)間的典型值達(dá)到4.5ns，上升時(shí)間為2.3ns。設(shè)計(jì)時(shí)需注意不同因素對延遲時(shí)間的影響，其中包括溫度、容性負(fù)載、輸入過壓驅(qū)動等因素，電源電壓對傳輸延時(shí)也有較大影響。