電壓比較器在檢測系統中的應用

電壓比較器在檢測系統中的應用

1 引言

　　電壓比較器是用來比較兩個或兩個以上模擬電平，并給出結果的功能部件[1]。它將一個輸入模擬電壓信號與設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的高電平或低電平，在模擬與數字信號轉換等領域得到廣泛的應用。

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

　　2 比較器的特點及分類

　　2.1 比較器的特點

　　由于比較器僅有兩個不同的輸出狀態，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部晶體管飽和狀態下的集電極與發射極之間的電壓。CMOS滿擺幅比較器的輸出電壓取決于飽和狀態下的MOSFET，與雙極型晶體管結構相比，在輕載情況下電壓更接近于電源電壓。

　　2.2 比較器的分類

　　按一個器件上所含有電壓比較器的個數，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)輸出結構兩種情況。多數比較器的輸出為集電極開路結構，如LM339、MAX918等使用時需要上拉電阻。

　　3 電壓比較器的選擇

　　3.1 電源電壓范圍、共模范圍

　　比較器使用時有雙電源供電、單電源供電兩種情況，要根據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，其次一定要保證兩端輸入信號不超過比較器規定的共模范圍。

　　3.2 滯回電壓與失調電壓

　　由于比較器的輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產生的差模電壓會導致比較器輸出發生連續變化。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變為兩個：一個用于檢測上升電壓，一個用于檢測下降電壓(圖1)。高電壓門限(VTRIP+)與低電壓門限(VTRIP-)之差等于滯回電壓(VHYST)，比較器的失調電壓(VOS)是VTRIP+和VTRIP-的平均值。失調電壓(即切換電壓)一般隨溫度、電源電壓的不同而變化。

　　圖1 開關門限、滯回和失調電壓

　　3.3 輸出延遲

　　輸出延遲時間是選擇比較器的關鍵參數，包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間。傳輸延遲是指由施加一個差分信號與切換狀態的輸出極之間的時間延遲。上升時間與下降時間一般是指輸出電壓的10%至90%的時間。對于高速比較器，如MAX961，其延遲時間的典型值達到4.5ns，上升時間為2.3ns。設計時需注意不同因素對延遲時間的影響，其中包括溫度、容性負載、輸入過壓驅動等因素，電源電壓對傳輸延時也有較大影響。

4 常見的問題與解決方法

　　在使用電壓比較器過程中發現有時不輸出高電平，這很可能由于使用的比較器的輸出結構是集電極開路結構，這種情況下只需要加一個上拉電阻即可，通常選用上拉電阻3-15KΩ[3]。

　　比較器產生振蕩難以控制，可能的原因及解決方法如下：

　　(1)旁路電容器問題。印制線路板上，電源線導電帶會產生不利的直流電阻和電感。當輸出狀態改變時產生的瞬態電流會引起電源電壓的波動，通過地線和電源線反饋到輸入端。所以在安裝低漏電電容(0.1 μF陶瓷電容)時應盡可能靠近比較器的電源引腳，以便在高速切換期間使電容器作為低阻抗能量儲存器。

　　(2)比較器的接地問題。要使接地引線盡可能短,最好接到接地平面(避免使用插座),以減小通過引線電感的耦合作用。輸入端的信號源高阻抗和雜散電容也會產生振蕩。為得到最佳測試結果，使用最短接地引線(小于25 cm)以使引線電感量最小。

　　改變比較器的輸入電壓，當它通過閾值電壓時，比較器輸出端似乎出現“震顫”，得不到一個平整的轉換波形。這通常是由于比較器的高增益和寬頻帶造成的，噪聲放大后和信號一樣通過轉變區，產生來回跳動。而且比較器在轉變期間其增益比較高，由于反饋增加而引起振蕩。如果有可能，將信號進行濾波以減小或消除噪聲。

　　有時會遇到比較器出現意想不到的現象，問題可能在于輸入信號的共模范圍。比較器的兩個輸入端具有較大的差分電壓擺動。如果兩端輸入電壓超過器件規定的共模范圍(甚至在規定的信號范圍以內)，比較器可能錯誤響應。為了使比較器正常工作，一定要保證兩端輸入信號不超過比較器規定的共模范圍。例如AD790差分輸入信號范圍為±VS，但其共模范圍為-VS至+VS/2。

　　5 電壓比較器的應用

　　NS公司的LM339的兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，用在弱信號檢測等場合是比較理想的。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。

　　5.1 單限比較器的應用

　　單限比較器在檢測系統中得到廣泛的應用。例如在某彈藥檢測系統中，電壓信號經過整流和分壓后通過電壓比較器LM339，當電壓大于設定值時，電壓比較器輸出高電平，觸發下一級的單穩態芯片。用信號發生器提供正弦信號代替待比較信號，Multisim10.1仿真電路及結果如圖2所示。

　　圖2 單限比較器仿真電路及結果

　　5.2 過零比較器的應用

　　在對彈丸測量速度時，線圈靶是一種常用的非接觸型區截裝置，彈丸通過時產生上升段與下降段的斜率不相等的類似正弦波信號[4]。通常采用過零比較器取信號的過零點作為啟、止觸發信號。當輸入信號小于比較電平時，輸出端為高電平，此時二極管D2截止，D1導通，+5V電壓經過R1和R2分壓，在同相輸入端分得電壓V+=+1.5V，這是第一個比較電平。當送來的信號達到此電平時，輸出端由高電平跳變到低電平，使D2導通，D1截止，同相端電平從+1.5V跳變到零伏，這個V+=0V 就是第二個比較電平，即送來的信號經過半個周期回到零電平時，輸出又從低電平跳回到高電平，同相端電平又跳回到+1.5V。在送來的信號的正半周中，比較器輸出一個負方波，這個方波的后沿對應著感應信號的過零點，這個方波的后沿就是啟、止觸發信號的觸發沿。Multisim10.1仿真電路及結果如圖3所示。