运算放大器与电压比较器的特点与区别 (运算放大器与电路的区别)

运算放大器与电压比较器均是较为常见的两种单元电路，电路符号相同，这两者各自有何特点?区别在哪?能否相互代换呢?一、运算放大器的组成与特点运算放大器简称“运放”，是一种具有很高放大倍数的单元电路，由具有特殊耦合电路及反馈电路的放大器组成现已采用集成块封装形式，又称为集成运放。1、电路组成

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集成运放电路由四部分组成，如图1所示。输入级是一个双端输入的高性能差动放大器，输入阻抗高、差模开环放大倍数(Aod)大共模抑制比(KCMR)高、静态电流小。该级的好坏直接影响运放的大多数性能参数，也是更新变化最多的一级电路。中间级的作用是使运放具有较强的放大能力，故多采用复合管做放大管，以电流源做集电极负载。输出级要求具有线性范围宽、输出电阻小、非线性失真小等特点。偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。运放有两个输入端(一个是反相输入端uN，另一个是同相输入端uP)和一个输出端uO，如图2所示。同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同，若uP>0，则uO>0;uP<0，则uO<0。反相输入端表示输入电压与输出电压相位相反，若uN>0，则uO<0;反之uN<0，则uO>0。

2、电压传输特性电压传输特性是表示输出电压uo和输入电压ui之间的关系曲线，如图3所示，明显分为线性放大区和饱和区两个区域。斜线反映了线性放大区输入与输出之间的关系，斜率表示电压放大倍数Av=uo/ui，即输出与输入幅值(或有效值)之比;两端水平线表示饱和区域，同时表明输出电压uo不随输入ui=uP一uN而变，而是恒定值+Uom(或-Uom)。

另外，从该特性曲线还可看出线性区非常窄，这是因为差模开环放大倍数非常大，可达几十万倍，只有当ui=|uP-uNI<uV时，电路才工作在线性区。提示:运算放大器是一种在负反馈条件下工作的电路，设计时考虑的重点是电路的稳定性、压摆率(在输入信号为阶跃信号时，闭环放大器的输出电压时间变化率的平均值，通常用SR表示)和最大带宽。二、电压比较器电压比较器是由运算放大器发展而来的，可以看作是运算放大器的一种应用电路，其作用是对两个模拟电压值进行比较，并判断出哪一个值高。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发了许多专门的电压比较器集成电路。图4(a)是由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，则放大器的增益等于RF/R1。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路).R3=RF=无穷大(相当于R3、RF开路)时，差分放大器处于开环状态，则放大器增益接近无穷大，输出电压Vout接近正、负电源电压，这就是比较器电路，其电路如图4(b)所示。

提示:电压比较器实质是一个无负反馈、且处于开环状态的运算放大器，是针对电压门限比较而设计的，要求比较门限精确，比较后的输出上升沿或下降沿时间要短，输出电平符合TTL/CMOS电平或oC等要求，不要求中间环节的准确度。电压比较器的电路符号如图5(a)所示，它有两个输入端:同相输入端(“+”端)及反相输入端(“-”端)，还有一个输出端Vout(输出电平信号)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。另外，对于单电源比较器而言，还设有电源V+及接地端;对于双电源(正、负电源供电)比较器而言设有正电源V+及负电源V-端。

为了说明电压比较器的工作原理，假若VA和VB的变化如图5(b)所示，在时间0-t1时，VA>VB，Vout输出高电平;在t1~t2时，VB>VA，Vout输出低电平;在t2~t3时，VA>VB，Vout输出高电平。根据Vout电平的高低，便可知道哪个输入电压大。如果把VA电压送给反相端，VB送给同相端，VA及VB的电压变化仍然如图5(b)所示，则Vout输出如图5(d)所示。与图5(c)比较，其输出电平倒相。双电源比较器的电路符号如图6(a)所示。如果输入电压VA.VB电压仍如图5(b)那样，则它的输出电压如图6(b)所示。

如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图7(a)所示。此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V，如图7(b)所示，则该电路一般用作过零检测。

三、运算放大器与电压比较器的区别1、输出结构不同运算放大器的末级通常采用推挽输出结构，输出端无需接上拉电阻，并且输出端不能并联。电压比较器通常采用集电极开路结构(只有极少部分采用互补输出结构，无需上拉电阻)，需外接-只上拉电阻，或者直接驱动不同电源电压的负载，如图8所示。电压比较器这种单极性输出方式，容易和数字电路连接，并且输出端也可并联，构成与门，常称作“线与”。

2、设计侧重点不同电压比较器工作在开关状态，要求输出翻转速度快，大约在纳秒(ns)级;运算放大器工作在线性放大状态，要求非线性失真小，其翻转速度-般为微秒(us级(特殊高速运算放大器除外)。若把电压比较器用作运算放大，则输出信号失真较大，即使负反馈较深，失真也非常明显。若把运算放大器用作电压比较，会发现翻转速度不够的现象。3、外围电路不同运算放大器可以接入负反馈电路，而电压比较器不能接入负反馈电路。虽然电压比较器也有同相和反相两个输入端，但其内部没有相位补偿电路，如果输入负反馈电路，比较器不能稳定工作。运算放大器一般工作在负反馈状态，在开环或正反馈状态时需要加补偿电路，否则容易自激。电压比较器工作在开环或者正反馈状态，一般不会自激。总之，若用运算放大器代替电压比较器，电路性能会有所下降:一是其输出电压幅度不足，二是输出电压的脉冲边沿时间过长，三是功耗大、翻转速度低;反过来，若用比较器代替运算放大器，电路性能下降更为明显，并很有可能出现工作不稳定的现象。因此，除在低性能电路中外，运算放大器和电压比较器是不能互换的。编者注:本文介绍的两种电路在开关电源电路和信号放大电路中应用非常广泛，特别是比较器，例如在开关电源振荡控制IC中，内部设置有很多比较器。通过对本文所述基础知识的学习，有助于加深对保护电路的工作原理认识。