電壓比較器原理新解（之二）
——聽咸老師說電子電路系列之二
二、“點”比較器和“段”比較器電路
1、點（單值）比較器
輸入信號與一個電壓“點”相比較，得到邏輯輸出結(jié)果。
見圖1-6典型電路，其基準(zhǔn)（比較）電壓2.5V，系+5V經(jīng)由R1、R2分壓取得，送入比較器N1的同相輸入端，輸入信號由反相輸入端進(jìn)入。一般比較器典型翻轉(zhuǎn)電壓為10mV，即電路的動作靈敏度為±10mV。
輸入信號和2.5V基準(zhǔn)電壓相比較，IN=2.51V時及以上時，OUT端變?yōu)?5V高電平；當(dāng)IN=2.49V及以下時，OUT端變?yōu)?V低電平。輸入電壓是和2.5V這個電壓“點”相比較，電路具備較高的靈敏度和比較精度。
圖1-6 點（單值）比較器典型電路
在給出比較器故障判斷的方法之前，我要先行給出電子電路故障檢測的總原則：
1）先軟件后硬件（針對MCU或DSP系統(tǒng)電路）；
2）先電源后信號（針對硬件電路）；
3）先兩端后中間（針對信號傳輸電路）。
再落實到圖1-6的具體電路：
1）+15V電源、+5V電源正常（及上拉電阻正常）；
2）2.5V基準(zhǔn)電壓正常；
3）不符合比較器原則，比較器壞。如IN+<>
2、段（滯回）比較器
輸入信號與一個電壓“段”相比較，得到邏輯輸出結(jié)果。
系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定度永遠(yuǎn)是一對不可調(diào)和的矛盾，設(shè)計者兩害相權(quán)取其輕，在其中取得折衷方案，以犧靈敏度來換取穩(wěn)定度。而有時，過高的靈敏度恰恰是有害的，是控制系統(tǒng)所不能允許的。這需要采取——添加正反饋支路，使比較器的翻轉(zhuǎn)特性由“點”比較過渡到“段”比較，提升電路的穩(wěn)定程度。
圖1-7段（滯回）比較器的電路構(gòu)成形式
如溫度控制電路，若控制靈敏度過高（如1℃），則會造成加熱功率部件不必要的頻繁通、斷電，嚴(yán)重降低控制部件壽命，引發(fā)高故障率。通過用增加溫度回差的方法降低控制靈敏度，如將靈敏度控制在±3℃范圍以內(nèi)，既能滿足工藝要求，又保障了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。
圖1-7中的a電路，添加R4正反饋支路，將輸出信號“微量”反饋回輸入端，使電路由比較2.5V這個電壓“點”，變成比較2.5V+反饋量這個電壓“段”。反饋的目的是人為增大信號回差（在比較器輸出端為高電平時，相當(dāng)“墊高”了輸入信號電壓），而使其翻轉(zhuǎn)靈敏度降低。
假定電路初始狀態(tài)是IN->IN+，則OUT端為低電平狀態(tài)；當(dāng)輸入信號電壓上升使IN+> IN-時，電路翻轉(zhuǎn)OUT端變?yōu)楦唠娖剑藭r輸入信號在2.51V之上又 “墊加”了正反饋量，這樣一來，電路的動作翻轉(zhuǎn)電平由原來的 “2.5V（±10mV）”這個電壓“點”，擴(kuò)展為“+2.5V+正反饋量至2.49V”這個電壓“段”了。
圖1-7中的b電路，為避免輸出端為低電平時對基準(zhǔn)電壓的影響，在R4反饋支路中串聯(lián)了D1二極管，利用其單向?qū)щ娞匦裕瑢崿F(xiàn)了有選擇的滯回比較。當(dāng)輸入信號高于基準(zhǔn)電壓時，輸出端為低電平，此時基準(zhǔn)比較電壓為一個固定值；當(dāng)輸入信號低于基準(zhǔn)（又稱整定）電壓時，正反饋支路實現(xiàn)了對整定信號的“抬高”作用，使比較“點”往比較“段”上邁進(jìn)。同樣起到了降低靈敏度提高穩(wěn)定度的作用。
“點”比較器和“段”比較器是比較器電路中的兩個基本電路，其它是在此基礎(chǔ)上的擴(kuò)展性應(yīng)用。
三、梯級電壓比較器電路
輸入信號與多個（兩個或兩上以上）電壓“點”（或電壓“段”）比較，得到程度不同的多個邏輯結(jié)果。
圖1-8 梯級比較器電路
上圖N1、N2兩片比較器和外圍器件，構(gòu)成了梯級比較器電路。具有一個輸入端，兩個基準(zhǔn)（整定值）電壓，兩個輸出端（代表著兩個事件或一個事件的兩種程度）。
輸入信號電壓與3.3V和6.6V兩個基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)IN>3.3V時，OUT1變低電平，表示發(fā)生了事件1（或事件發(fā)生的程度較輕）；當(dāng)IN>6.6V時，OUT2變低電平，表示發(fā)生了事件2（或事件發(fā)生的程度較重）。該電路如用于過載保護(hù)，則OUT1為輕度過載故障信號，OUT2為重度過載故障信號，后級電路對兩種信號的重視程度和處理措施是不一樣的。
電路特點也如上所述，不再贅言。
四、“片”比較器電路
輸入信號與一個“設(shè)定范圍”相比較，得到一個邏輯輸出結(jié)果。
圖1-9 “片”（窗口）比較器
本電路有兩個基準(zhǔn)比較端，整定值分別為+5V和-5V。由電路結(jié)構(gòu)可知，只要+5V>IN>-5V，換言之，只在輸入信號在+5V～-5C“該片范圍”之內(nèi)，電路就會維持原態(tài)（或稱靜態(tài)）的高電平輸出狀態(tài)。反之，IN信號要么高于+5V，要么低于－5V，只要出離了“該片范圍”，N1（或N2）的輸出端即會翻轉(zhuǎn)，變成低電平狀態(tài)。
該電路功能具有其實用意義，如對電機(jī)接地故障的檢測，不必要區(qū)分是正半波或負(fù)半波接地，只要有接地故障產(chǎn)生，即產(chǎn)生報警動作；如用于工作電壓監(jiān)測，則可方便地限定一個“安全范圍”，在此范圍內(nèi)設(shè)備可正常工作，顯然在此處比較“一片范圍”同相比一個點或段，更具合理性。
由此電路，更可看出專用（開路集電極輸出）比較器的優(yōu)點：
五、具有“雙重身份”的比較器電路
有關(guān)聯(lián)性的兩路（或兩路以上）輸入信號與“區(qū)域設(shè)置”及“梯級設(shè)置”相比較，輸出兩路（或兩路以上）有關(guān)聯(lián)性的、程度不同的開關(guān)量信號。
圖1-10“雙重身份”比較器電路
圖1-10是根據(jù)一個實際三相電流過載檢測電路簡化所得，由前級電流互感器來的三相交變電流信號，經(jīng)D1~D3全波整流后，分四路送入N1~N4等四路電壓比較器電路。其電路結(jié)構(gòu)：
1）從輸入端并聯(lián)關(guān)系看：由N1、N2構(gòu)成的梯級電路比較器電路；由N3、N4構(gòu)成的梯級電壓比較器電路。前者處理整流后正半波過載信號，后者處理整流后負(fù)半波過載信號。（以前者為例）基準(zhǔn)電壓由+5V經(jīng)R1、R2、R3兩級分壓取得，R5、D1和R8、D3為正反饋支路，電路為滯回比較器模式。D2、D4為輸出電平負(fù)向嵌位二極管。
2）從輸出端并聯(lián)關(guān)系看：N1、N3構(gòu)成窗口電壓比較器，處理OL1（輕度過載）信號；N2、N4構(gòu)成窗口電壓比較器，處理OL2（重度過載）信號。電路只注重電壓幅度（是否過載），而不再區(qū)分正、負(fù)半波信號。
3）從電路的根本特征看：電路仍然為四路具有相對獨立性的滯回電壓比較器。如果進(jìn)一步可以忽略掉正反饋帶來的“微弱”影響，圖1-10僅為四路“點”比較器而已。對其在線故障檢測，僅需測量兩輸入端與輸出端的電壓值，按比較器規(guī)則，來判斷好壞，就足夠了。
須注意兩點：
1）電路的動、靜態(tài)
本電路設(shè)計的出發(fā)點，是在電路未動作（未有輸入信號產(chǎn)生及輸入信號小于整定值）時，電路輸出端狀態(tài)為高電平（即+5V）；當(dāng)輸入信號大于整定值后，電路動作狀態(tài)即輸出端變?yōu)榈碗娖剑ㄇ段缓蠹s為-0.6V）。
一般來說，通常將輸出端的高電平狀態(tài)做為初始狀態(tài)，低電平做為動作狀態(tài)，也為動作（比如故障報警）標(biāo)志。但這僅就一般設(shè)計思路來說，可能會有另外與之相反的情況：低電平為初始狀態(tài)，高電平才是動作狀態(tài)。電路規(guī)則是一定的，但電路構(gòu)成（形式）和對信號的處理是靈活多變的。
故障檢測，通常是將電路的靜態(tài)功能修復(fù)，使之表現(xiàn)正常，則其動態(tài)表現(xiàn)也會隨之正常化。
2）多路輸出端并聯(lián)時檢修中應(yīng)注意什么？
構(gòu)成窗口比較器的輸出端并聯(lián)模式（其它形式的電路可能會有兩端以上多輸出端并聯(lián)模式），需引起檢修中的注意。如生產(chǎn)OL1誤報警時，僅僅測量N1輸入端信號來確定OL1檢測電路是否正常是不夠的，須同時檢測N3輸入端情況，最終來判斷OL1誤報警的確切原因。多級比較器輸出端并聯(lián)時，任一組（錯誤）的輸入信號超出設(shè)定值以外，或任一組比較器的損壞，都會影響到輸出結(jié)果。
六、仍舊關(guān)于比較器
電壓比較器的典型電路講解，告一段落，和應(yīng)用、故障檢測相關(guān)的，在這里補(bǔ)充一下。
1、（開路集電極輸出型）電壓比較器特點綜述：
1）最小動作翻轉(zhuǎn)電壓（兩輸入端動作電壓差）10mV，兩輸入端（任意）其一可做為輸入端，其二即做為基準(zhǔn)（比較）端。因為基準(zhǔn)電壓的存在，兩輸入端電壓差為0的概率不大，通常有一定的電壓差。
2）除供電電源正常是一要素外，基準(zhǔn)電壓的正常，是另一要素。比較器工作失常，要考慮到可能是基準(zhǔn)電壓的異常所造成。
3）多輸出端并聯(lián)時（當(dāng)然輸入端為輸出端的2倍數(shù)），任一輸入端異常都會導(dǎo)致輸出電平錯誤。要面面俱到檢查多個輸入端，以確定工作狀態(tài)的好壞。
4）輸入端接有上拉電阻，其輸出高電平幅度取決于上拉電源的正電壓幅度。當(dāng)輸出狀態(tài)異常，須檢查上拉電阻和上拉電源，確保其正常。
2、如何在線辨別放大器和比較器，有何異同？
從外貌長相、引腳數(shù)量，甚至供電電源上，比較器和放大器真的是很像啊，長得一個樣兒啊。若從型號無法鑒別，還有什么更準(zhǔn)確的特征可以顯著區(qū)分兩種器件呢？試加分析如下。
1）器件型號
這是最直捷、最準(zhǔn)確的方法。通過元件印字，查知型號資料，得到器件類型和引腳功能。
2）供電電源
運放電路的典型供電是±15V。但也有單電源+15V、+5V時應(yīng)用情況；
比較器電路的典型供電是單電源+15V，但恰巧也有±15V雙電源和+5V單電源的應(yīng)用情況。
單從供電極性和電壓級別上，容易混淆。
3）供電引腳
8腳運放和比較器元件，供電引腳是一樣的。
14腳器件：運放的供電腳在器件中心，即4和11腳；比較器的供電腳中心偏左，即3和12腳。若器件型號不清，這也可以當(dāng)做其一鑒別參考。
4）輸出端
運放輸出級內(nèi)部電路為電壓互補(bǔ)式兩管模式，無須加上拉電阻；開路集電極輸出型比較器，輸出級內(nèi)部為單管接地模式，須加上拉電阻得到高電平信號輸出。若在輸出端直接有接正電源的上拉電阻，則可做為其二鑒別參考。
另：運放電路輸出電壓則是對輸入信號的線性（放大或衰減）輸出，與輸入信號幅度有關(guān)；比較器輸出端電壓狀態(tài)，僅高（對應(yīng)上拉電源正端幅度）、低電平（信號地或輸出端嵌位電平）二態(tài)。可做為其三鑒別參考。
5）反饋支路
運放電路在反相輸入端和輸出端之間，必接有負(fù)反饋支路；
比較器無負(fù)反饋支路，或接有正反饋支路，但反饋電阻的阻值較大，一般為百千歐級。可做為其四鑒別參考。
6）輸入端
運放電路兩輸入端電壓差為0V，即等電位；
比較器兩輸入端有明顯電壓差（基準(zhǔn)電壓不隨輸入信號而變化或在正反饋影響下僅有微量變化）。兩輸入端無電壓差的概率極小。可做為其五鑒別參考。
蓋言之，若不能依據(jù)型號鑒別電路類別時，則明顯鑒別項為輸入端、反饋支路、輸出端和供電引腳（僅適用14引腳器件）。若綜合各項，則鑒別準(zhǔn)確率上升。其中輸入端和反饋支路是重要的兩項，而且僅從此兩項，也基本上能得到準(zhǔn)確的判斷。
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咸慶信
2016年12月7日
