四电压比较器LM339的常用方法.doc

1、四电压比较器 LM339 的常用方法LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339 集成块采用 C-14 型封装，图 1 为外型及管脚排列图。由于 LM339 使用灵活，应用广泛，所以世界上各大 IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如 IR2339、ANI339、SF339 等，它们的参数基本

2、一致，可互换使用。 图 1 LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的

3、。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选 3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 l、单限比较器电路 图 1a 给出了一个基本单限比较器。输入信号 Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压 UinUr 时，输出为高电平 UOH。图 1b 为其传输特性。 图 3 为某仪器中过热检测保护电路。它用单电源供电，1/4LM339 的反相输入

4、端加一个固定的参考电压，它的值取决于 R1 于 R2。U R=R2/（R1+R2）*U CC。同相端的电压就等于热敏元件 Rt 的电压降。当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo 为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo 输出为零电位，使保护电路动作，调节 R1 的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小。 图 3 2、迟滞比较器 迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号 Uin 在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。 图 1a 给出了一个迟

5、滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图 1b 为迟滞比较器的传输特性。 图 1 不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过 U 之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于U 的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。 如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便

6、可实现上述要求。图 2 为其原理图。 图 2 图 3 为某电磁炉电路中电网过电压检测电路部分。电网电压正常时，1/4LM339 的 U42.8V，比较器翻转，输出为 0V，BG1 截止，U5 的电压就完全决定于 R1与 R2 的分压值，为 2.7V，促使 U4 更大于 U5，这就使翻转后的状态极为稳定，避免了过压点附近由于电网电压很小的波动而引起的不稳定的现象。由于制造了一定的回差（迟滞），在过电压保护后，电网电压要降到 242-5=237V 时，U4UR2或 UinU1 时，运放A1 输出高电平；当 Ui U2，则当输入电压 Ui 越出U2，U1区间范围时，LED 点亮，这便是一个电压双限指

7、示器。 若选择 U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED 点亮，这是一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。 6、单稳态触发器 见附图 5。此电路可用在一些自动控制系统中。电阻 R1、R2 组成分压电路，为运放 A1 负输入端提供偏置电压 U1，作为比较电压基准。静态时，电容 C1 充电完毕，运放 A1 正输入端电压 U2 等于电源电压 V+，故 A1 输出高电平。当输入电压 Ui 变为低电平时，二极管 D1 导通，电容 C1 通过 D1 迅速放电，使 U2 突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放 A1 输

8、出低电平。当输入电压变高时，二极管 D1 截止，电源电压 R3 给电容 C1 充电，当 C1 上充电电压大于 U1 时，既 U2U1，A1 输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高 U1 或增大 R2、C1 的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。 图 5 图 6如果将二极管 D1 去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放 A1输出低电平，随着电容 C1 不断充电，U2 不断升高，当 U2U1 时，A1 输出才变为高电平。参考图 6电 流 反 馈 放 大 器 不 受 基 本 增 益 带 宽 积 的 限 制 ， 随 着 信 号 幅 度 的 增 加 ， 带 宽 的

9、损 失 非 常小 。 因 为 可 以 在 最 小 失 真 的 条 件 下 对 大 信 号 进 行 调 节 ， 这 些 放 大 器 在 非 常 高 的 频 率 下通 常 都 具 有 优 异 的 线 性 度 。 而 电 压 反 馈 放 大 器 的 带 宽 随 着 增 益 的 增 加 降 低 ， 电 流 反 馈放 大 器 在 很 宽 的 增 益 范 围 上 维 持 其 大 部 分 带 宽 不 变 。 正 因 为 如 此 ， 准 确 地 说 ， 电 流 反 馈 运 放 没 有 增 益 带 宽 积 的 限 制 。 当 然 ， 电 流 反 馈 运 放也 不 是 无 限 快 ， 其 压 摆 率 (Slew

10、Rate)不 受 内 部 偏 置 电 流 的 限 制 ， 但 受 三 极 管 本 身 的 速度 限 制 。 对 给 定 的 偏 置 电 流 ， 这 就 容 许 不 用 通 常 可 能 影 响 稳 定 性 的 正 反 馈 或 其 方 法 来获 得 较 大 的 压 摆 率 。 那 么 如 何 构 建 这 些 电 路 呢 ？ 电 流 反 馈 运 放 具 有 一 个 与 差 分 对 相 对 的 输 入 缓 冲 器 ， 该 输入 缓 冲 器 大 多 数 情 况 下 常 常 是 射 极 跟 随 器 或 其 它 非 常 类 似 的 电 路 。 正 相 输 入 端 具 有 高阻 抗 ， 而 缓 冲 器 的 输

11、 出 ， 即 放 大 器 的 反 相 输 入 具 有 低 阻 抗 。 相 比 之 下 ， 电 压 反 馈 放 大器 的 输 入 都 是 高 阻 。 电 流 反 馈 运 放 的 输 出 是 电 压 ， 并 且 它 与 流 出 或 流 入 运 放 的 反 相 输 入 端 的 电 流 有 关 ， 这由 称 为 互 阻 抗 (transimpedance)的 复 杂 函 数 Z(s)来 表 示 (图 1)。 在 直 流 时 ， 互 阻 抗 是一 个 非 常 大 的 数 ， 并 且 像 电 压 反 馈 运 放 一 样 ， 它 随 着 频 率 的 增 加 具 有 单 极 点 滚 降 特 性 。电 流 反

12、馈 运 放 灵 活 性 的 关 键 之 一 是 具 有 可 调 节 的 带 宽 和 可 调 节 的 稳 定 性 。 因 为 反 馈 电阻 的 数 值 实 际 上 改 变 放 大 器 的 交 流 环 路 的 动 态 特 性 ， 所 以 能 够 影 响 带 宽 和 稳 定 性 两 个方 面 。 加 之 具 有 非 常 高 的 压 摆 率 和 基 于 反 馈 电 阻 的 可 调 节 带 宽 ， 你 可 以 获 得 与 器 件 的小 信 号 带 宽 非 常 接 近 的 大 信 号 带 宽 。 在 甚 至 更 好 的 情 况 下 ， 该 带 宽 在 很 宽 的 增 益 范 围内 大 部 分 都 维 持

13、不 变 。 而 因 为 具 有 固 有 的 线 性 度 ， 你 也 可 以 在 高 频 大 信 号 时 获 得 较 低的 失 真 。 如 何 发 现 最 佳 的 反 馈 电 阻 RF 图 1： 具 有 Z(s)和 反 馈 电 阻 的 电 路 示 意 图 图 2： 能 够 体 现 LMH6714 特 色 的 不 同 RF 条 件 下 的 频 率 响 应 由 于 放 大 器 的 交 流 特 性 部 分 地 取 决 于 反 馈 电 阻 ， 这 就 让 我 们 能 够 针 对 每 一 个 特 定 的 应用 “量 身 定 制 ”放 大 器 。 降 低 反 馈 电 阻 的 数 值 将 提 升 环 路 增

14、益 。 为 了 保 持 稳 定 性 和 最 大的 带 宽 ， 在 低 增 益 时 ， 反 馈 电 阻 要 设 置 为 较 高 的 数 值 ； 随 着 增 益 的 上 升 ， 环 路 增 益 自然 降 低 。 如 果 需 要 高 的 增 益 ， 可 以 利 用 较 小 的 反 馈 电 阻 来 部 分 地 恢 复 环 路 增 益 。 在图 2 中 你 可 以 看 到 随 着 你 改 变 反 馈 电 阻 带 宽 所 发 生 的 变 化 。 在 右 手 曲 线 的 远 处 ， 反 馈电 阻 RF 等 于 147， 你 可 以 看 到 频 率 响 应 具 有 相 当 大 的 峰 值 。 该 曲 线 也

15、具 有 最 高 的 带宽 。 减 小 该 电 阻 到 远 远 低 于 这 个 147， 会 导 致 你 的 脉 冲 响 应 出 现 振 铃 ， 如 果 再 进 一步 减 小 该 电 阻 ， 实 际 上 就 会 发 生 振 荡 。 RF 等 于 300 的 曲 线 具 有 优 异 的 平 坦 度 和 增 益 ，并 仍 然 具 有 与 峰 值 频 率 响 应 可 比 的 良 好 带 宽 。 所 以 ， 我 们 不 必 牺 牲 太 多 的 带 宽 就 已 经 获 得 了 很 高 的 稳 定 性 。 利 用 600 的 反 馈 电 阻 ，你 就 能 调 节 回 你 的 频 率 响 应 。 例 如 ，

16、如 果 一 个 应 用 仅 仅 需 要 5060MHz 的 带 宽 ， 在该 频 段 内 的 任 何 信 号 都 会 对 噪 声 有 所 贡 献 ， 你 可 以 利 用 反 馈 电 阻 来 调 节 你 的 器 件 的 频率 响 应 。 在 如 此 有 限 的 带 宽 内 ， 利 用 如 此 高 速 的 放 大 器 的 原 因 在 于 它 提 供 优 异 的 信 号保 真 度 。 图 3： 建 议 反 馈 电 阻 与 正 相 增 益 的 关 系 图 3 来 自 相 同 器 件 的 数 据 表 ， 该 图 说 明 了 对 给 定 正 相 增 益 的 推 荐 反 馈 电 阻 。 正 如 预 期的 那

17、 样 ， 对 增 益 为 2 的 放 大 器 推 荐 采 用 300 的 电 阻 ， 它 具 有 最 佳 的 增 益 平 坦 度 、 建立 时 间 和 速 度 的 组 合 。 此 外 ， 从 该 图 中 可 以 看 到 ， 对 增 益 为 1 的 放 大 器 需 要 采 用600 的 反 馈 电 阻 来 获 得 最 优 化 的 性 能 。 这 是 因 为 环 路 增 益 非 常 高 ， 较 大 的 电 阻 值 对于 稳 定 性 是 必 需 的 。 这 就 是 与 电 压 反 馈 架 构 的 主 要 差 异 。 电 流 反 馈 放 大 器 在 使 用 时 不能 把 输 出 与 反 相 输 入 短

18、 路 连 接 。 数 据 表 上 指 定 的 最 常 用 的 电 阻 是 针 对 增 益 为 2 的 放 大 器 。 然 而 ， 你 可 以 从 图 2 中 看 到 ，你 最 终 使 用 的 实 际 数 值 有 很 大 的 灵 活 性 ， 在 数 据 表 中 所 推 荐 的 数 值 是 在 性 能 表 和 曲 线中 公 布 的 规 范 所 使 用 的 数 值 。 如 图 3 所 示 ， 对 于 增 益 为 5 的 放 大 器 ， RF 下 降 到 200。 该 增 益 设 置 电 阻 现 在 仅 仅 是50， 所 以 我 们 获 得 的 输 入 缓 冲 电 阻 和 增 益 设 置 电 阻 的

19、值 相 近 。 这 就 降 低 了 运 放 的 闭环 互 阻 抗 ， 并 将 随 着 增 益 的 提 高 而 开 始 限 制 带 宽 。 在 增 益 为 8 时 ， 我 们 要 把 反 馈 电 阻提 高 到 275。 对 于 更 高 的 增 益 ， 一 旦 不 能 降 低 反 馈 电 阻 来 提 高 增 益 ， 带 宽 将 受 到 损失 ， 而 且 放 大 器 开 始 呈 现 电 压 反 馈 放 大 器 的 特 性 。 电 路 板 的 布 局 一 般 来 说 ， 在 电 流 反 馈 放 大 器 或 高 速 器 件 的 应 用 中 ， 要 仔 细 考 虑 的 事 情 之 一 就 是 电 路板 的

20、 布 局 设 计 。 表 面 安 装 的 陶 瓷 电 源 旁 路 电 容 要 非 常 靠 近 该 器 件 ， 典 型 距 离 小 于3mm。 如 果 需 要 更 大 的 电 容 ， 可 以 在 电 路 板 上 较 远 的 地 方 布 置 电 解 电 容 。 电 路 板 上 常常 有 电 压 调 节 器 ， 这 时 ， 在 电 压 调 节 器 供 应 商 推 荐 的 电 解 电 容 之 外 ， 不 必 要 采 用 额 外的 电 解 电 容 。 布 置 在 放 大 器 附 近 的 小 陶 瓷 旁 路 电 容 为 放 大 器 的 高 频 响 应 提 供 能 量 。 根 据 放 大 器 的 速度 和

21、被 放 大 的 信 号 速 度 ， 可 能 要 采 用 两 个 数 值 大 约 相 差 10 倍 的 陶 瓷 电 容 。 例 如 ， 一个 400MHz 的 放 大 器 可 能 采 用 并 连 安 装 的 0.01uF 和 1nF 电 容 。 当 购 买 电 容 时 ， 核 查 其 自 谐 振 频 率 至 关 重 要 ， 自 谐 振 频 率 在 此 频 率 (400MHz)上 下 的电 容 毫 无 益 处 。 地 和 电 源 层 有 助 于 为 地 电 流 和 电 源 电 流 两 者 提 供 低 的 阻 抗 路 径 ， 在 放大 器 的 输 入 和 输 出 引 脚 以 及 反 馈 电 阻 的

22、下 面 ， 要 避 免 走 地 和 电 源 层 ， 这 样 做 有 助 于 通过 减 小 不 想 要 的 寄 生 电 容 来 维 持 放 大 器 的 稳 定 性 。 要 在 可 能 的 地 方 尝 试 采 用 表 面 贴 装 器 件 ， 这 些 器 件 提 供 最 佳 的 性 能 并 占 用 的 电 路 板 空间 也 最 小 。 电 路 板 的 布 线 应 该 保 持 尽 可 能 地 短 ， 并 应 该 调 整 其 长 宽 以 最 小 化 寄 生 效 应 。在 电 源 布 线 上 ， 最 坏 的 寄 生 特 性 是 直 流 电 阻 和 自 感 ， 所 以 电 源 布 线 要 尽 可 能 地 宽

23、 。 另一 方 面 ， 输 入 和 输 出 连 接 线 常 常 承 载 非 常 小 的 电 流 ， 所 以 容 性 寄 生 效 应 对 它 们 的 危 害最 大 。 对 于 超 过 1cm 的 信 号 路 径 ， 最 好 采 用 受 控 阻 抗 和 两 端 终 接 (匹 配 电 阻 )的 传 输 线 。因 为 无 法 避 免 小 量 的 寄 生 负 载 ， 电 流 反 馈 放 大 器 的 反 馈 电 阻 为 特 殊 应 用 提 供 调 整 放 大器 性 能 的 灵 活 性 。 面 对 真 正 具 有 挑 战 性 的 电 路 板 设 计 ， 即 使 采 用 非 常 大 的 反 馈 电 阻 可能

24、也 是 不 够 的 。 驱 动 容 性 负 载 图 4： 利 用 串 联 输 出 电 阻 实 现 对 容 性 负 载 的 隔 离 如 图 4 所 示 ， 通 过 引 入 一 个 电 阻 (ROUT)， 放 大 器 几 乎 可 以 驱 动 任 何 大 小 的 电 容 而 没 有稳 定 性 问 题 。 这 是 电 压 和 电 流 两 种 反 馈 放 大 器 常 用 的 技 术 ， 当 驱 动 高 速 模 /数 转 换 器时 ， 该 技 术 特 别 有 用 。 ROUT 电 阻 被 放 置 在 运 放 和 容 性 负 载 (即 ADC)之 间 。 只 要 电 路板 空 间 允 许 ， 要 把 电 阻

25、 靠 近 放 大 器 放 置 。 在 图 5 中 ， 图 表 上 的 曲 线 显 示 了 根 据 电 容 大 小 建 议 的 ROUT 电 阻 数 值 。 该 图 表 是 根 据1k 的 阻 性 负 载 绘 制 的 。 如 果 RL 的 数 值 较 小 ， ROUT 也 可 以 更 小 。 另 一 个 选 项 是 把ROUT 放 在 反 馈 环 之 内 (图 中 没 有 标 出 )。 你 可 以 把 RF 连 接 到 隔 离 电 阻 的 输 出 侧 ， 而 不是 图 中 ROUT 和 放 大 器 之 间 用 RF 连 接 。 这 样 做 将 保 持 增 益 的 精 度 ， 但 是 跟 在 其 它 例 子中 一 样 ， 你 将 仍 然 在 隔 离 电 阻 上 损 失 相 同 大 小 的 电 压 摆 幅 。 尽 管 该 技 术 确 实 有 其 缺 陷 ，但 应 该 这 样 实 现 。 因 为 电 阻 和 电 容 形 成 一 种 低 通 滤 波 器 ， 对 于 这 种 电 路 的 应 用 ， 存 在 某 种 带 宽 的 损 失 。实 际 应 用 表 明 ， 无 论 电 阻 阻 值 多 大 ， 电 容 越 大 就 越 难 驱 动 ， 并 降 低 带 宽 。 图 5： LMH6738 推 荐 的 ROUT 与 容 性 负 载 的 对 比