【硬件电路设计】浅析运算放大器和比较器的区别

【硬件电路设计】浅析运算放大器和比较器的区别

1 引言

运算放大器和比较器无论外观或图纸符号都差不多，那么它们究竟有什么区别，在实际应用中如何区分？

2 运算放大器2.1 运放的概念

运放是什么？

这是模拟电子技术的高频词汇之一。电路图中它被抽象成下面的电路符号：

有的电路图中的运放只显示左边的两个和右边的一个引脚，这是因为上下两个电源引脚被隐藏了，出于简化电路图的考虑。

说到运放的电源，就不得不提运放的两种供电方式，一种叫单电源，一种叫双电源。

单电源就是给运放的两个供电端一端接正电压，一端接地，如下图所示：

双电源就是给运放的两个供电端一端接正电压，一端接负电压，如下图所示：

有的运放支持单电源供电，有的则只支持双电源供电，要放大交流信号时必须使用双电源供电，使用单电源供电放大交流信号时，负半周的交流信号将无法得到放大。

别看运放的电路符号只是个简单的三角形，它的内部构造可不简单，运放的内部由一定数量的半导体元件和基本元件构成电压比较器原理，具体构造相对复杂，下面是一个运放的内部构造：

回到运放的含义，运放的全称是运算放大器电压比较器原理，顾名思义，运放的主要功能是运算和放大。运放主要被用于处理模拟信号，包含运放的芯片一般为模拟IC。在电子技术发展早期，数字技术还不像现在这样成熟，用于处理模拟信号的运算放大器承包了绝大多数的计算任务，现在运放已经不再作为运算的主力，但运算的名号依然被保留了下来。运放除了可以进行模拟信号之间的运算外，也可以像三极管、MOS管一样将小信号放大。当然，运算和放大只是运放最基本的两个功能，本文只重点介绍这两种功能。

2.2 虚断和虚短

在介绍功能前还需要普及一下运放最重要的两个特征：虚短和虚短。

虚断相对比较容易理解【硬件电路设计】浅析运算放大器和比较器的区别，因为运放的输入阻抗很大，几乎没有电流可以流入运放的输入端，所以我们可以把运放的两个输入端近似看作断路。

虚短的意思是运放的同相输入端和反相输入端近似短路，但虚短需要在特定条件下才会达成，主要是两种条件下：开环状态下的线性区和深度负反馈状态。

2.3 开环状态下的线性区

首先讨论下什么叫做开环状态下的线性区，要理解这点首先要知道开环状态下运放输出和输入之间的关系，如下图所示：

US是输入同相输入端的信号，反相输入端接地，开环状态下没有负反馈，这时运放的输出本应是（同相输入端的信号-反相输入端的信号）×开环增益Auo；

开环增益是运放的一个指标，是个非常大的常数，通常能够上万，但这只是理想状态，实际上运放的开环输出会受到电源电压的限制，高于正供电电压时输出会被限制在正供电电压，低于负供电电压（或0电压）时输出会被限制在负供电电压（或0电压），于是开环状态的输入输出关系可以用下面的函数图像表示：

横轴的三角表示输入端信号的差值，纵轴表示开环状态的输出，图中的-3uv到3uv这个范围就是上文提到的开环状态下的线性区，这个范围内运放的输出还未达到供电电压，所以输出和输入差值之间的关系是线性的，又因为开环增益K很大，所以这个范围内的输入信号差很小，只能在几微伏左右，两个输入端也就能近似看作短路。

2.4 深度负反馈状态

在了解完运放的开环增益后，我们会发现这样的放大虽然可以轻松获得输入的高增益，但缺点也十分明显：输出很容易触及到电源电压，从而造成信号的失真。有没有什么办法解决这个问题呢？负反馈可以有效解决这个问题，简单来说，负反馈就是将输出信号通过反馈组件反馈回输入，从而使放大器的总增益减小，就像下面这样

可能有人会说负反馈会削弱放大器的放大效果，但负反馈带来的好处比这点损失要多得多：

1.提高总增益的稳定性

2.减少输出型号的失真

3.增加带宽（可让放大器适应更大频率范围的放大）

4.改变输入和输出阻抗

当有了反馈组件后，运放和外围器件共同构成了闭环系统，这个闭环系统的增益称为闭环增益。

2.5 放大电路

只要理解了运放的虚短和虚断，我们便可以推导出放大电路和运算电路的所有相关公式，公式的推导需要结合图像进行具体分析，接下来分两部分讲解。

本文主要介绍同相放大电路和反相放大电路。同相放大电路如下图所示：

反向放大电路如下图所示：

以上同向和反向放大电路的闭环增益都可以通过虚短和虚断的概念进行推导，这里就不赘述，感兴趣的可以自己尝试下。

2.6 运算电路

运算电路只提供一个加法放大器的例子供参考，加法放大器如下图所示：

Vout=-(Rf/R1 V1+Rf/R2 V2+Rf/R3 V3)

3 比较器

对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。 能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定。

下面介绍几种常见的比较器：

1、单限比较器

2、双限比较器(窗口比较器)

3、迟滞比较器

1)概述

迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。单限比较器，若输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动(起伏)。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。

2)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：

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【硬件电路设计】浅析运算放大器和比较器的区别，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)。

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：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。

4 运算放大器与比较器的区别4.1 运算放大器与比较器的主要区别是闭环特性

放大器大都工作在闭环状态,所以要求闭环后不能自激。而比较器大都工作在开环状态更追求速度。对于频率比较低的情况放大器完全可以代替比较器(要注意输出电平),反过来比较器大部分情况不能当作放大器使用。

因为比较器为了提高速度进行优化,这种优化却减小了闭环稳定的范围。而运放专为闭环稳定范围进行优化,故降低了速度。所以相同价位档次的比较器和放大器最好是各司其责。

如同放大器可以用作比较器一样,也不能排除比较器也可以用作放大器。但是为了让它闭环稳定所付出的代价可能超过加一个放大器!

换言之,看一个运放是当作比较器还是放大器就是看电路的负反馈深度。所以浅闭环的比较器有可能工作在放大器状态并不自激。但是一定要作大量的试验,以保证在产品的所有工作状态下都稳定!这时候就要成本/风险仔细核算一下了。

运算放大器和比较器如出一辙，简单的讲比较器就是运放的开环应用，但比较器的设计是针对电压门限比较而用的，要求的比较门限精确，比较后的输出边沿上升或下降时间要短，输出符合TTL/CMOS 电平/或OC等，不要求中间环节的准确度，同时驱动能力也不一样。一般情况：用运放做比较器，多数达不到满幅输出，或比较后的边沿时间过长，因此设计中少用运放做比较器为佳。

因为比较器用于大差分输入电压，而运算放大器工作时，差分输入电压一般会在负反馈的作用下降至最低。当运放过驱动时，有时仅几毫伏也可能导致过载，其中有些放大级可能发生饱和。这种情况下，器件需要相对较长的时间从饱和中恢复，因此，如果发生饱和，其速度比始终不饱和时慢得多。

4.2 运算放大器和比较器的区别总结

比较器和运放虽然在电路图上符号相同，但这两种器件确有非常大的区别，一般不可以互换，区别如下:

1)比较器的翻转速度快，大约在ns 数量级，而运放翻转速度一般为us 数量级(特殊的高速运放除外)。

2)运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈，虽然比较器也有同相和反相两个输入端电压比较器原理，但因为其内部没有相位补偿电路，所以，如果接入负反馈，电路不能稳定工作。内部无相位补偿电路，这也是比较器比运放速度快很多的主要原因。

3)运放输出级一般采用推挽电路，双极性输出。而多数比较器输出级为集电极开路结构，所以需要上拉电阻，单极性输出，容易和数字电路连接。

比如LM339比较器输出是集电极开路(OC)结构 , 需要上拉电阻才能有对外输出电流的能力 。 而运放输出级是推挽的结构 , 有对称的拉电流和灌电流能力 。

另外比较器为了加快响应速度 , 中间级很少 , 也没有内部的频率补偿 。运放则针对线性区工作的需要加入了补偿电路。