處于非線性工作區(qū)應(yīng)用的運(yùn)放電路，主要為電壓比較器和電壓比較器的“延伸性電路”——遲滯電壓比較器電路。電壓比較器的作用是比較兩個(gè)輸入電壓信號(hào)的大小，將比較結(jié)果以開關(guān)量信號(hào)——“0”或“1”的數(shù)字形式輸出。其電路已脫離了線性放大的范疇，似乎進(jìn)入了“數(shù)字（或邏輯）電路”的領(lǐng)域，是拿模擬電路當(dāng)作了數(shù)字電路來(lái)應(yīng)用。其實(shí)質(zhì)是對(duì)運(yùn)放電路的應(yīng)用，使其出離放大區(qū)域，進(jìn)入使電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大的開環(huán)控制狀態(tài)。
1、電壓比較器的幾種電路形式和特點(diǎn)
1）單值電壓比較器
圖1中的a電路，是一個(gè)基本的電壓比較器電路，又稱為單值比較器，輸入信號(hào)電壓僅與2.5V分壓值進(jìn)行比較，將比較的邏輯結(jié)果由輸出端輸出。放大器的同相輸入端的電壓，為R2、R3兩電阻對(duì)+5V的分壓值2.5V，稱為比較基準(zhǔn)電壓值，或門限電壓、閥值電壓等。反相端輸入信號(hào)與同相端的門限值比較，高于此值時(shí)，則輸出為0V低電平信號(hào)，低于低值時(shí)，則輸出為+15V高電平信號(hào)。輸出動(dòng)作決定于輸入信號(hào)電壓值的一個(gè)點(diǎn)：2.5V。當(dāng)輸入信號(hào)在2.5V上、下波動(dòng)時(shí)，輸出狀態(tài)也是隨之波動(dòng)的。
2）梯級(jí)電壓比較器
將兩級(jí)電壓比較器接成圖1中的b電路，則成為梯級(jí)電壓比較器，一個(gè)輸入信號(hào)與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較，輸出兩個(gè)比較結(jié)果。因兩級(jí)電路同相輸入端的基準(zhǔn)電壓值不同，N1電壓比較器的比較基準(zhǔn)值為6.6V，N2比較基準(zhǔn)值則為3.3V。當(dāng)輸入信號(hào)由0V到逐漸上升，（第一步）上升為3.3V以上時(shí)，N2的輸出狀態(tài)先變?yōu)榈碗娖剑唬ǖ诙剑㎞1在輸入信號(hào)值大于6.6V時(shí)，才有低電平信號(hào)輸出。梯形電壓比較器在電流檢測(cè)電路中的應(yīng)用，是將電流檢測(cè)信號(hào)與兩個(gè)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)過(guò)載輕重的程度分別報(bào)出OL1、OL2故障信號(hào)。實(shí)際的電路構(gòu)成，為避免輸出信號(hào)的頻繁波動(dòng)，往往在梯級(jí)電壓比較器的基礎(chǔ)上，引入一定的正反饋，構(gòu)成遲滯電壓比較器（或稱滯回電壓比較器）電路。
3）窗口電壓比較器
若將兩級(jí)電壓比較器接為圖1中的c電路，則構(gòu)成窗口電壓比較器電路。相對(duì)于單值電壓比較器電路，窗口電壓比較器又稱為雙值電壓比較器。輸入信號(hào)與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓值相比較，在出離由兩個(gè)比較值形成的“電壓區(qū)域”時(shí)，電路產(chǎn)生輸出信號(hào)。放大器N1的反相端由R2、R3對(duì)+15V分壓引入5V基準(zhǔn)電壓，放大器N2由電阻R4、R5對(duì)-15V分壓引入-5V基準(zhǔn)電壓。當(dāng)輸入信號(hào)在低于5V和高于-5V的10V電壓范圍以內(nèi)時(shí)，N1、N2維持靜態(tài)的低電平輸出狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)高于5V或高于-5V（出離10V電壓范圍以外）時(shí)，N1或N2產(chǎn)生高電平信號(hào)輸出。
可見，單值電壓比較器是比較基準(zhǔn)電壓的一個(gè)“點(diǎn)”，窗口比較器則是比較兩個(gè)基準(zhǔn)值之間的“電壓范圍”，在此由基準(zhǔn)電壓設(shè)定的“電壓范圍”之內(nèi)，輸出狀態(tài)不變。
常規(guī)集成運(yùn)算放大器，因輸出級(jí)采用推挽式電壓互補(bǔ)放大電路，當(dāng)N1與N2的輸出端電平狀態(tài)不一致時(shí)，會(huì)造成對(duì)供電電源的短路，加入D1、D2隔離二極管，使兩者的輸出狀態(tài)互不影響。
電壓比較器和窗口比較器電路，在檢測(cè)電路中實(shí)際應(yīng)用時(shí)，并不考慮其比較精度（或者不要求在一個(gè)電壓點(diǎn)上進(jìn)行比較，避免引起不必要的輸出波動(dòng)），往往加接正反饋環(huán)路，使其“變身”為遲滯電壓比較器（或稱為滯回比較器），見下文所述。
2、遲滯電壓比較器
遲滯電壓比較器是在單值、雙值、梯形電壓比較器的基礎(chǔ)上，添加正反饋環(huán)路，將輸出信號(hào)引至輸入端，a、形成靜態(tài)和電路動(dòng)作后的兩個(gè)不同的門限電壓值；b、相應(yīng)“抬高/挖低”輸入信號(hào)的幅度，使電路出離對(duì)“電壓點(diǎn)”的比較，過(guò)渡為 “電壓段”的比較特性。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)在一定的變化范圍內(nèi)時(shí)，能保持輸出狀態(tài)的穩(wěn)定不變。
1）圖2中的a電路
電路靜態(tài)（輸入Vin信號(hào)電壓為0V）時(shí)，N1輸出端電壓為+15V高電位， R2、R3和R4、D1、R3兩個(gè)電流支路， 形成N1放大器3腳的分壓（基準(zhǔn)電壓1）為7.8V。
a、當(dāng)Vin＞7.8V時(shí)，N1輸出端變?yōu)?V低電平，此時(shí)Vin與基準(zhǔn)電壓1進(jìn)行比較，N1輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；二極管D1由正偏變?yōu)榉雌刂梗琋1放大器的3腳電壓變?yōu)橛蒖2、R3對(duì)+15V的分壓值，3腳電壓此時(shí)變?yōu)?.5V（基準(zhǔn)電壓2）。
b、當(dāng)Vin由高于7.8V時(shí)向低于7.8V以下變化時(shí)，由于N1的3腳電壓值為7.5V，Vin只要不低于7.5V，N1即能維持低電平輸出狀態(tài)。一直到Vin＜7.5V時(shí)，N1輸出端才恢復(fù)為高電平狀態(tài)。此時(shí)Vin與基準(zhǔn)電壓2進(jìn)行比較，N1輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。
普通電壓比較器， Vin信號(hào)電壓僅與基準(zhǔn)電壓1進(jìn)行比較，而遲滯電壓比較器，是根據(jù)信號(hào)輸入幅度相應(yīng)產(chǎn)生了兩個(gè)比較點(diǎn)，形成了在Vin信號(hào)電壓7.8V~ 7.5V的0.3V范圍以內(nèi)的穩(wěn)定輸出，將普通電壓比較器的“電壓點(diǎn)”比較變?yōu)椤半妷憾巍北容^。對(duì)信號(hào)檢測(cè)的如此處理，是有著實(shí)際意義的。
2）圖2中的b電路
該電路的門限電壓，雖然只有一個(gè)由R2、R3對(duì)+5V分壓形成的V1門限電壓，但R4正反饋環(huán)路的引入，使得輸出信號(hào)能對(duì)輸入信號(hào)的幅度施加影響，從而使電路仍具有“電壓段”的比較特性。
電路靜態(tài)時(shí)，輸出端為低電平；Vin上升至V1門限電壓值以上時(shí)，輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑惠敵龆说母唠娢唤?jīng)R4引入至輸入端，使輸入信號(hào)的幅度在原Vin的基礎(chǔ)上“墊高了一塊”，對(duì)輸入信號(hào)的電壓幅度產(chǎn)生了一個(gè)“相應(yīng)增量”；這樣，當(dāng)輸入Vin信號(hào)幅度往減小方向變化時(shí)，電路仍能維持高電平狀態(tài)不變；直到Vin信號(hào)幅度繼續(xù)降低，其“相應(yīng)減量”足以抵消與R4引入的正反饋信號(hào)帶來(lái)的“相應(yīng)增量”時(shí)，也即輸入端3腳電壓值低于V1時(shí)，電路輸出狀態(tài)才再度翻轉(zhuǎn)為低電平。避免了Vin信號(hào)在到達(dá)V1門限電壓值時(shí)，稍有降低變化時(shí)使輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。
電路對(duì)輸入信號(hào)的產(chǎn)生“相應(yīng)增量”特性，起到和兩個(gè)門限電壓相比較一樣的作用。
3）圖2中的c電路
該電路由窗口電壓比較器“變形而來(lái)”，兩路電壓比較器分別添加了正反饋環(huán)路，使輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生了“滯后”特性。
a、電路的靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)Vin=0V時(shí)，N1的同相輸入端電壓高于反相輸入端，輸出端為R4上拉高電平+15V。二極管D1反偏截止，N1的7腳是經(jīng)R1、R2對(duì)+15V分壓取得的1.36V“比較基準(zhǔn)1”。N2的輸出端也為高電平，反相輸入端的比較基準(zhǔn)電壓值為-1.36V。輸入Vin信號(hào)電壓在高于1.36V和低于-1.36V的范圍以內(nèi)，輸出信號(hào)維持高電平狀態(tài)不變。顯然，電路具有窗口電壓比較器功能。
為了與后級(jí)MCU電路的5V電平相兼容，電路輸出端的+15V、-15V信號(hào)，經(jīng)電阻R8限流，二極管D3、D4雙向鉗位，變?yōu)?5.6V和-0.6V（可認(rèn)為是+5V和0V）的電壓信號(hào)，送入后級(jí)MCU電路。
b、當(dāng)Vin信號(hào)在低于1.36V或高于-1.36V 時(shí)，N1、N2輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出端變?yōu)?15V低電平。二極管D1正偏導(dǎo)通，將N1比較器3腳的1.36V “比較基準(zhǔn)1”，拉低為1.16V的“比較基準(zhǔn)2”；二極管D2正偏導(dǎo)通，將N2同相端5腳輸入信號(hào)1.36V “挖低”變成1.56V。
c、如此一來(lái)，輸入Vin信號(hào)電壓在低于1.36V和高于-1.36V的范圍內(nèi)變化時(shí)，N1、N2還維修輸出狀態(tài)不變，只有當(dāng)輸入Vin信號(hào)電壓在低于1.56V和高于-1.56V的范圍內(nèi)變化時(shí)，電路輸出狀態(tài)才會(huì)再度翻轉(zhuǎn)。以N1為例，電路的兩次翻轉(zhuǎn)，不再依賴于1.36V的基準(zhǔn)比較值，而是據(jù)1.36V~1.56V的“電壓段”變化，產(chǎn)生兩次不同的輸出。
3、專用電壓比較器
圖2的c電路中，采用的器件芯片型號(hào)為C339G，為貼片印字標(biāo)注，原型號(hào)為L(zhǎng)M339，可代換型號(hào)有IR2339、ANI339、SF339等，屬于專用的電壓比較器芯片，與普通的集成運(yùn)算放大器有所差異。
一般而言，若對(duì)電壓比較的精度要求不高，普通運(yùn)算放大器可以用作電壓比較器電路。也有專用型電壓比較器產(chǎn)品，雖然電路結(jié)構(gòu)與普通運(yùn)算放大器相同，但“比較特性”得以強(qiáng)化，并且更適用于開環(huán)應(yīng)用，屬于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。這類器件出離線性放大區(qū)，稱為非線性模擬集成電路。
LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)；6）為開路集電極輸出方式，輸出端電位可靈活方便地選用。
從圖中可看出，一般普通運(yùn)算放大器（或電壓比較器）輸出級(jí)電路為雙管電壓互補(bǔ)（或稱推挽）式電路構(gòu)成，LM339則采用單只晶體管Q8以形成開路集電極輸出，優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)電壓比較器的輸出端可以直接并聯(lián)，不會(huì)因輸出狀態(tài)不同對(duì)供電電源形成短路，但必須外接上拉電阻，形成靜態(tài)高電平輸出。
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