上一贴我们讲了集成运算放大器的原理，对集成运放有了一个初步的了解，其实在综保插件里应用的两个集成运放LM339是作为电压比较器应用的，通过电流互感器传来的电流信号转换成电压信号，与插件内部设定的电压信号进行比较，当电流互感器传来的信号大于插件内部设定的电压信号时，综保插件就会认为照明主回路有短路故障，从而驱动执行电路切断主回路的交流接触器控制电源。漏电保护电路也同短路保护电路一样，进行电压比较来判断设备是不是漏电的。
集成运算放大器是这样组成比较电路：
集成运算放大器 ,简称为集成运放.它实际上是一个高增益的多级直接耦合放大器 ,最早用于模拟
计算机 ,并由此而得名.随着电子技术的高速发展 ,集成运放不断升级换代 ,其性能参数和技术指标不断
提高 ,而价格日益降低.它的应用早已超出运算的范畴之外 ,已成为一种通用性很强的功能性器件 ,它的
应用犹如六、 七十年代无线电电路中的三极管一样 ,已成为现代电子电路中的核心器件 ,正如三级管一
样 ,如略去电源端和调零端以外 ,集成运放的符号也有三个端 ,即反相输入端、 同相输入端和输出端.
图1 集成运放符号
集成运放的高增益 ,其含义是开环电压放大倍数趋于无穷大 ,其次输
入电阻高 ,几乎不从信号源索取电流;输出电阻低 ,带负载的能力很强.这
三点是集成运放多项性能指标中的集中体现.尤其是前两条 ,是分析运放
线性应用的原始依据 ,即可以演变为所谓 “虚短” 和 “虚断” 的两条重要性
质.由于输出和输入可写为:U0 = Au (U+ - U- ) ,因为开环电压放大倍数Au
趋于无穷大 ,线性应用时:U+ = U- ,即 “虚短” .非线性应用时 ,某时刻两输
入端谁的电位高 ,输出就反映谁的特征 ,即:当U+ > U- ,输出U0 趋于正向饱和;当U+ < U- ,输出U0 趋
于负向饱和.这是集成运放运用于非线性状态的本质特征.
电压比较器就是集成运放在非线性状态下的具体应用.所谓电压比较器 ,就是一种用来比较输入信
号电压大小的电子电路.它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波.集成运放工作在
非线性区时 ,两个输入端谁的电位高 ,输出就反映谁的特征 ,这是构成电压比较器的理论基础.如下图 2
所示为最基本的电压比较器和其电压传输特性图.其中两个输入端中一个端子为参考端 ,参考电压为
UR ,另一个端子(比如反相端)作为信号输入端 ,将信号电压与参考电压相比较 ,当信号电压小于参考电
压时 ,输出为高电平 ,反之输出为低电平.由此得到如图的电压传输特性曲线.
如此简单的电压比较器 ,增加限幅保护电路、 引入正反馈去影响参考电压值等措施就可得到几种电
压比较器的原型电路.比如:
1.过零比较器:参考电压为零 ,输入信号每过零时 ,输出发生跃变 ,它实际上是一个单限比较器.最
简单的应用是可以将正弦波变为方波.
2.滞回比较器:利用正反馈来影响原来的参考电压使参考电位与此时的输出状态有关 ,从而消除在
原来的参考电位附近输入信号由于受干扰而产生的空翻现象.
3.双限比较器:由两个单限比较器组成所谓的双限比较器(也称为窗口比较器) ,可以将输入信号按
需要范围进行选取.
正是这样简单的电压比较器 ,在非正弦波产生变换电路、 延时定时电路、 自动控制及有关模数接口
电路中得到了广泛的应用.如下图3所示为方波发生器的原形电路.它实质上是由一个带有正反馈的电
压比较器和负反馈延时微分电路组成 ,同相端的参考电压由 R1 和 R2 将输出电压分压得到 ,在输出高电
平或低电平时 ,使之电容充电或放电 ,电容两端得到的电压跟此时的参考电压 U+ 去比较 ,从而使电路
的输出状态来回翻转输出方波.
在方波发生器的基础上 ,将电容的充放电回路分开 ,即可得到矩形波发生器.在矩形波发生器的基
础上后面加接一级积分电路 ,并稍微调整电路结构即可得到三角波发生器和锯齿波发生器.它们是示波
器中扫描电压信号的基本产生电路.
555定时器是包含模拟与数字的一种综合性中规模集成电路器件.其中模拟部分的核心就是由三
个5千欧电阻分压器提供参考电压的两个电压比较器 ,上面的反相比较器是以 2P 3UCC作为参考电压 ,下
面的同相比较器是以1P 3UCC作为参考电压.两者的输出分别控制基本 RS触发器的 R端和 S端 ,以触发
器的输出作为定时器的输出 ,并以它的反端去控制放电三极管的导通与截止.正是这样巧妙地结合 ,使
555定时器加上简单的 RC外围电路 ,便可构成单稳态触发器、 施米特触发器、 多谐自激振荡器等应用型
电路.这里面 ,两个电压比较器将输入信号或电容上充放电而得的电压值跟参考电压 2P 3UCC和 1P 3UCC去
比较 ,从而转换成高电平或低电平 ,去控制触发器动作 ,输出所需要的电压波形进而控制执行机关 ,从而
实现了电路的自动控制、 延时、 定时等多项功能 ,而电压比较器在此发挥出了至关重要的作用.
同上情况相似 ,在并行比较型AP D转换器中 ,根据量化单位的大小 ,由 n 个分压电阻组成的分压电
路得到(n - 1)个阶梯型电压值作为(n - 1)个电压比较器的反相端的参考电压 ,跟加在同相端的采样保
持后的模拟信号电压比较 ,使每个比较器输出高电平或低电平 ,并通过其后面的缓冲寄存器得到(n - 1)
位二进制数 ,完成了将模拟信号转换为数字信号的关键的一步.
综上所述:电压比较器是集成运放的一种非线性应用.变化的、 随机的输入信号跟另一个端的参考
电压进行比较 ,使输入信号转换成只有高电平或低电平的输出信号 ,当输入信号电压等于参靠电压(即
阈值)时 ,输出状态发生翻转.能实现这一点的关键就是取决于集成运放优良的性能 ,即开环电压放大倍
数无穷大.但是实际运放的开环电压放大倍数不可能无穷大 ,除去运放的响应时间及零点漂移等因素 ,
其比较误差及上升(下降)沿的陡度决定于运放的开环电压放大数 ,其值越大 ,产生的误差越小 ,上升(下
降)沿越竖直.假设运放的开环电压放大倍数为 10的6次方,运放的输出饱和压降为 ±10V ,则产生的阈值误差
为 ± 10 μV ,可见产生的误差是很小的.
深刻理解电压比较器为集成运放在非线性应用下的本质特征 ,并在教学中将其应用实例适时地进
行归纳、 总结、 比较 ,这对提高教学质量 ,丰富学生的知识 ,培养学生的创新能力 ,都有着重要的意义.
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