直流穩(wěn)壓電源電壓比較器工作原理及應(yīng)用
2017-7-6 10:30:06??????點擊：
直流穩(wěn)壓電源電壓比較器(以下簡稱直流穩(wěn)壓電源比較器)是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術(shù)，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本文主要介紹其基本概念、工作原理及典型工作電路，并介紹一些常用的直流穩(wěn)壓電源電壓比較器。
什么是直流穩(wěn)壓電源電壓比較器
簡單地說， 直流穩(wěn)壓電源電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小(也有兩個數(shù)字電壓比較的，這里不介紹)，并判斷出其中哪一個電壓高，如圖1所示。圖1(a)是直流穩(wěn)壓電源比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(這是個單電源直流穩(wěn)壓電源比較器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖1(b)所示。在時間0～t1時，VA>VB；在t1～t2時，VB>VA；在t2～t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。
如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關(guān)。
圖2(a)是雙電源(正負電源)供電的直流穩(wěn)壓電源比較器。如果它的VA、VB輸入電壓如圖1(b)那樣，它的輸出特性如圖2(b)所示。VB>VA時，Vout輸出飽和負電壓。
如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比較，如圖3(a)所示。此VB稱為參考電壓、基準電壓或閾值電壓。如果這參考電壓是0V(地電平)，如圖3(b)所示，它一般用作過零檢測。
直流穩(wěn)壓電源比較器的工作原理
直流穩(wěn)壓電源比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，直流穩(wěn)壓電源比較器電路可以看作是運算放大器的一種應(yīng)用電路。由于直流穩(wěn)壓電源比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的直流穩(wěn)壓電源比較器集成電路。
圖4(a)由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0(相當于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當于R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖4(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是直流穩(wěn)壓電源比較器電路。實際上，直流穩(wěn)壓電源運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大。
從圖4中可以看出，直流穩(wěn)壓電源比較器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。
同相放大器電路如圖5所示。如果圖5中RF=∞，R1=0時，它就變成與圖3(b)一樣的直流穩(wěn)壓電源比較器電路了。圖5中的Vin相當于圖3(b)中的VA。
直流穩(wěn)壓電源比較器與直流穩(wěn)壓電源運放的差別
直流穩(wěn)壓電源運放可以做直流穩(wěn)壓電源比較器電路，但性能較好的直流穩(wěn)壓電源比較器比通用直流穩(wěn)壓電源運放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使直流穩(wěn)壓電源比較器響應(yīng)速度更快)。另外，直流穩(wěn)壓電源比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些直流穩(wěn)壓電源比較器為互補輸出，無需上拉電阻。
這里順便要指出的是，直流穩(wěn)壓電源比較器電路本身也有技術(shù)指標要求，如精度、響應(yīng)速度、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數(shù)與直流穩(wěn)壓電源運放的參數(shù)相同。在要求不高時可采用通用直流穩(wěn)壓電源運放來作直流穩(wěn)壓電源比較器電路。如在A/D變換器電路中要求采用精密直流穩(wěn)壓電源比較器電路。
由于直流穩(wěn)壓電源比較器與直流穩(wěn)壓電源運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，其大部分參數(shù)(電特性參數(shù))與直流穩(wěn)壓電源運放的參數(shù)項基本一樣(如輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等)。
直流穩(wěn)壓電源運放與直流穩(wěn)壓電源比較器之間的三大區(qū)別：
⑴：放大器與直流穩(wěn)壓電源比較器的主要區(qū)別是閉環(huán)特性!
放大器(如4558和5532）大都工作在閉環(huán)狀態(tài),所以要求閉環(huán)后不能自激.而直流穩(wěn)壓電源比較器大都工作在開環(huán)狀態(tài)更追求速度.對于頻率比較低的情況放大器完全可以代替直流穩(wěn)壓電源比較器(要主意輸出電平),反過來直流穩(wěn)壓電源比較器大部分情況不能當作放大器使用.因為直流穩(wěn)壓電源比較器為了提高速度進行優(yōu)化,這種優(yōu)化卻減小了閉環(huán)穩(wěn)定的范圍.而直流穩(wěn)壓電源運放專為閉環(huán)穩(wěn)定范圍進行優(yōu)化,故降低了速度.
所以相同價位檔次的直流穩(wěn)壓電源比較器和放大器最好是各司其責(zé).如同放大器可以用作直流穩(wěn)壓電源比較器一樣,也不能排除直流穩(wěn)壓電源比較器也可以用作放大器.但是你為了讓它閉環(huán)穩(wěn)定所付出的代價可能超過加一個放大器!
換言之,看一個直流穩(wěn)壓電源運放是當作直流穩(wěn)壓電源比較器還是放大器就是看電路的負反饋深度.所以,淺閉環(huán)的直流穩(wěn)壓電源比較器有可能工作在放大器狀態(tài)并不自激.但是一定要作大量的試驗,以保證在產(chǎn)品的所有工作狀態(tài)下都穩(wěn)定!這時候你就要成本/風(fēng)險仔細核算一下了.
⑵：運算放大器和直流穩(wěn)壓電源比較器如出一轍，簡單的講，直流穩(wěn)壓電源比較器就是直流穩(wěn)壓電源運放的開環(huán)應(yīng)用，但直流穩(wěn)壓電源比較器的設(shè)計是針對電壓門限比較而用的，要求的比較門限精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時間要短，輸出符合TTL/CMOS 電平/或OC 等，不要求中間環(huán)節(jié)的準確度，同時驅(qū)動能力也不一樣。一般情況：用直流穩(wěn)壓電源運放做直流穩(wěn)壓電源比較器，多數(shù)達不到滿幅輸出，或比較后的邊沿時間過長，因此設(shè)計中少用直流穩(wěn)壓電源運放做直流穩(wěn)壓電源比較器為佳。
直流穩(wěn)壓電源運放和直流穩(wěn)壓電源比較器的區(qū)別
直流穩(wěn)壓電源比較器和直流穩(wěn)壓電源運放雖然在電路圖上符號相同，但這兩種直流穩(wěn)壓電源器件確有非常大的區(qū)別，一般不可以互換，區(qū)別如下:
1、直流穩(wěn)壓電源比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns 數(shù)量級，而直流穩(wěn)壓電源運放翻轉(zhuǎn)速度一般為us 數(shù)量級(特殊的高速直流穩(wěn)壓電源運放除外)。
2、直流穩(wěn)壓電源運放可以接入負反饋電路，而直流穩(wěn)壓電源比較器則不能使用負反饋，雖然直流穩(wěn)壓電源比較器也有同相和反相兩個輸入端，但因為其內(nèi)部沒有相位補償電路，所以，如果接入負反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無相位補償電路，這也是直流穩(wěn)壓電源比較器比直流穩(wěn)壓電源運放速度快很多的主要原因。
3、直流穩(wěn)壓電源運放輸出級一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)直流穩(wěn)壓電源比較器輸出級為集電極開路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接。
⑶：直流穩(wěn)壓電源比較器(LM339和LM393)輸出是集電極開路(OC)結(jié)構(gòu), 需要上拉電阻才能有對外輸出電流的能力. 而直流穩(wěn)壓電源運放輸出級是推挽的結(jié)構(gòu), 有對稱的拉電流和灌電流能力.另外直流穩(wěn)壓電源比較器為了加快響應(yīng)速度, 中間級很少, 也沒有內(nèi)部的頻率補償. 直流穩(wěn)壓電源運放則針對線性區(qū)工作的需要加入了補償電路.
所以直流穩(wěn)壓電源比較器(LM339 和LM393)不適合作直流穩(wěn)壓電源運放用.
直流穩(wěn)壓電源運放（如JRC4558和NE5532）主要用在調(diào)音臺和卡拉OK前置放大器音頻放大級（雙電源供電），在無線話筒（無線麥克風(fēng)）的發(fā)射部分和無線話筒接收機音頻放大都使用了直流穩(wěn)壓電源運放（單電源供電的直流穩(wěn)壓電源運放），在無線話筒接收機的靜噪電路使用了直流穩(wěn)壓電源比較器（LM339或LM393）。
直流穩(wěn)壓電源比較器典型應(yīng)用電路
這里舉兩個簡單的直流穩(wěn)壓電源比較器電路為例來說明其應(yīng)用。
1.散熱風(fēng)扇自動控制電路
一些大功率直流穩(wěn)壓電源器件或模塊在工作時會產(chǎn)生較多熱量使溫度升高，一般采用散熱片并用風(fēng)扇來冷卻以保證正常工作。這里介紹一種極簡單的溫度控制電路，如圖7所示。負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT粘貼在散熱片上檢測功率直流穩(wěn)壓電源器件的溫度(散熱片上的溫度要比直流穩(wěn)壓電源器件的溫度略低一些)，當5V電壓加在RT及R1電阻上時，在A點有一個電壓VA。當散熱片上的溫度上升時，則熱敏電阻RT的阻值下降，使VA上升。RT的溫度特性如圖8所示。它的電阻與溫度變化曲線雖然線性度并不好，但是它是單值函數(shù)(即溫度一定時，其阻值也是一定的單值)。如果我們設(shè)定在80℃時應(yīng)接通散熱風(fēng)扇，這80℃即設(shè)定的閾值溫度TTH，在特性曲線上可找到在80℃時對應(yīng)的RT的阻值。R1的阻值是不變的(它安裝在電路板上，在環(huán)境溫度變化不大時可認為R1值不變)，則可以計算出在80℃時的VA值。
R2與RP組成分壓器，當5V電源電壓是穩(wěn)定電壓時(電壓穩(wěn)定性較好)，調(diào)節(jié)RP可以改變VB的電壓(電位器中心頭的電壓值)。VB值為直流穩(wěn)壓電源比較器設(shè)定的閾值電壓，稱為VTH。
設(shè)計時希望散熱片上的溫度一旦超過80℃時接通散熱風(fēng)扇實現(xiàn)散熱，則VTH的值應(yīng)等于80℃時的K值。一旦VA>VTH，則直流穩(wěn)壓電源比較器輸出低電平，繼電器K吸合，散熱風(fēng)扇(直流電機)得電工作，使大功率直流穩(wěn)壓電源器件降溫。VA、VTH電壓變化及直流穩(wěn)壓電源比較器輸出電壓Vout的特性如圖9所示。這里要說清楚的是在VA開始大于VTH時，風(fēng)扇工作，但散熱體有較大的熱量，要經(jīng)過一定時問才能把溫度降到80℃以下。
從圖7可看出，要改變閾值溫度TTH十分方便，只要相應(yīng)地改變VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，調(diào)整十分方便。只要RT確定，RT的溫度特性確定，則R1、R2、RP可方便求出(設(shè)流過RT、R1及R2、RP的電流各為0.1～0.5mA)。
2.直流穩(wěn)壓電源窗口比較器
直流穩(wěn)壓電源窗口比較器常用兩個直流穩(wěn)壓電源比較器組成(雙直流穩(wěn)壓電源比較器)，它有兩個閾值電壓VTHH(高閾值電壓)及VTHL(低閾值電壓)，與VTHH及VTHL比較的電壓VA輸入兩個直流穩(wěn)壓電源比較器。若VTHL≤VA≤VTHH，Vout輸出高電平；若VA<VTHL，VA>VTHH，則Vout輸出低電平，如圖10所示。圖10是一個冰箱報警器電路。冰箱正常工作溫度設(shè)為0～5℃，(0℃到5℃是一個“窗口”)，在此溫度范圍時直流穩(wěn)壓電源比較器輸出高電平(表示溫度正常)；若冰箱溫度低于0V或高于5℃，則直流穩(wěn)壓電源比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器(μC)作報警信號。
溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT在0℃時阻值為333.1kΩ；5℃時阻值為258.3kΩ，則按1.5V工作電壓及流過R1、RT的電流約1.5 uA，可求出R1的值。R1的值確定后，可計算出0℃時的VA值為0.5V(按圖10中R1=665kΩ時)，5℃時的VA值為0.42V，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設(shè)R2=665kΩ，則按圖11，可求出流過R2、R3、R4電阻的電流I=(1.5V-0.5V)/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/=0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=(R3+R4)0.0015mA， 則可求出R3=53.3kΩ。
本例中兩個直流穩(wěn)壓電源比較器采用低工作電壓、低功耗、互補輸出雙直流穩(wěn)壓電源比較器LT1017，無需外接上拉電阻。
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