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'''比较器'''是通过比较两个输入端的[[电流]]或[[电压]]的大小，在输出端输出不同[[电压]]结果的[[电子元件]]。比较器常被用于[[模数转换器|類比數位转换电路]]中。

==输入电压范围==
由于生产商不同，比较器正常工作时有不同的输入电压范围。例如早期的LM111系列和某些高速比较器如LM119系列的额定输入电压需要远小于供电电压（例如供电36V时输入电压范围为±15V）。<ref>''[http://www.national.com/ds/LM/LM111.pdf LM111/LM211/LM311 datasheet] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20111016082738/http://www.national.com/ds/LM/LM111.pdf |date=2011-10-16 }}. National Semiconductor. January 2001. Retrieved 2010-08-05.</ref>而轨至轨比较器只要求输入电压不大于供电电压。使用双电压供电（±V）时有：

:<math>V_{S-} \le V_+,V_- \le V_{S+}</math>

使用单电压供电（+V，GND）时有：

:<math>0 \le V_+,V_- \le V_{cc}</math>

某些型号（如LM139系列）的比较器在输入端带有PNP[[晶体管]]，这些比较器的输入电压可以低于供电电压最低值0.3V，但不能高于供电电压最大值。<ref>''[http://www.national.com/ds/LM/LM139.pdf LM139/LM239/LM339/LM2901/LM3302 datasheet] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20111028093042/http://www.national.com/ds/LM/LM139.pdf |date=2011-10-28 }}. National Semiconductor. March 2004. Retrieved 2010-08-05.</ref> LMH7322之类的超高速比较器的输入电压可以略高于（低于）工作电压的极大极小值（可以超过0.2V），这也被称作“超电源摆幅”。<ref>''[http://www.national.com/ds/LM/LMH7322.pdf LMH7322 datasheet] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100216030745/http://www.national.com/ds/LM/LMH7322.pdf |date=2010-02-16 }}. National Semiconductor. January 2010. Retrieved 2010-08-05.</ref>比较器的输入电压范围一般取决于供电电压范围。
==运算放电压比较器==
[[image:Op-Amp Comparator.svg|frame|right|简单的运放比较器]]

[[运算放大器]]采用[[差分信号|差分输入]]，而且具有较高[[增益]]，这与比较器的特性相似，所以在实际应用中可以作为低性能比较器使用。<ref>Malmstadt, Enke and Crouch, Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1, Chapter 5.</ref>

理论上一个[[运算放大器#開迴路組態|开环]]组态（无-{zh-cn:[[负反馈]];zh-tw:[[負回授]];}-）的运放可以发挥低端比较器的作用。当正相输入端（V+）的电压高于反相输入端（V-）时，由于运放较高的[[开环增益]]，在输出端输出一个正向饱和电压+U<sub>sat</sub>。当反相输入端（V-）的电压高于正相输入端（V+）时，在输出端输出一个反向饱和电压-U<sub>sat</sub>。而对工作在线性段-{zh-cn:[[负反馈]];zh-tw:[[負回授]];}-组态、由分离电压供电（±V）的运放而言，其传递函数可写作：<math>V_{out}=A_{o} (V_1 - V_2)</math>，这与非线性无-{zh-cn:[[负反馈]];zh-tw:[[負回授]];}-的比较器不同。

实践中，与使用专用比较器相比使用运放比较器有以下缺点：

#运放被设计为工作在有-{zh-cn:[[负反馈]];zh-tw:[[負回授]];}-的线性段，因此饱和的运放一般有较慢的翻转速度。大多数运放中都带有一个用于限制高频信号下[[压摆率]]的补偿[[电容]]。这使得运放比较器一般存在[[微秒]]级的[[传播延迟]]，与之相比专用比较器的翻转速度在[[纳秒]]量级。
#运放没有内置迟滞电路，需要专门的外部网络以延迟输入信号。
#运放的静态工作点电流只有在-{zh-cn:[[负反馈]];zh-tw:[[負回授]];}-条件下保持稳定。当输入电压不等时将出现[[直流]]-{zh-cn:[[偏置]];zh-tw:[[偏壓]];}-。
#比较器的作用为-{zh-cn:[[数字电路]];zh-tw:[[數位電路]];}-产生输入信号，使用运放比较器时需要考虑与-{zh-cn:[[数字电路]];zh-tw:[[數位電路]];}--{zh-cn:[[接口]];zh-tw:[[連接埠]];}-的-{zh-cn:[[兼容性]];zh-tw:[[相容性]];}-。
#多节运放的不同频率间可能产生[[干扰]]。
#许多运放的输入端有反向[[串联]]的[[二极管]]。运放两极的输入一般是相同的，这不会造成问题。但比较器的两极需要接入不同的电压，这就可能导致意想不到的二极管的击穿。

==专用电压比较芯片==
[[Image:Comparators stuuf.jpg|thumb|一些电压比较芯片]]
一般而言，专用电压比较芯片用作比较器比通用的运放速度快。许多专用比较器还集成有内置标准[[参考电压]]、可调延迟和时钟脉冲门控输入等功能。

专用电压比较芯片（如LM339）被设计为可以与数字逻辑电路（[[電晶體－電晶體邏輯|TTL]]或[[CMOS]]）的接口相连，输出端是用来表征真实信号的二进制数据。

==关键参数==
比较器都是用于两个电压的比较，但在实际使用中还要考虑一些技术参数：
===速度与功率===
比较器的速度与消耗功率直接相关。高速比较器的[[晶体管]]有较大的[[纵横比]]，因此也需要消耗更多功率。<ref>Rogenmoser, R.; Kaeslin, H, "The impact of transistor sizing on power efficiency in submicron CMOS circuits," Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume 32, Issue 7, Jul 1997 Page(s):1142–1145.</ref>在实际应用中，一般根据具体需求选择比较器。例如UCSP封装或DFN或SC70封装的比较器如[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268 MAX9027] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268 |date=20100430210626 }}、[http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1002,C1463,P1593 LTC1540] {{Webarchive|url=http://arquivo.pt/wayback/20160515060645/http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1002,C1463,P1593 |date=2016-05-15 }}、[https://web.archive.org/web/20090503133424/http://www.national.com/pf/LP/LPV7215.html LPV7215]、[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5823 MAX9060] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5823 |date=20100421165202 }}和[http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010414 MCP6541] {{Wayback|url=http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010414 |date=20140213033924 }}适用于低功耗的便携设备。而用于构建高速时钟信号的弛张振荡器一般使用纳秒级延迟的[http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/comparators/adcmp572/products/product.html ADCMP572] {{Wayback|url=http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/comparators/adcmp572/products/product.html |date=20100823121351 }} （CML输出）、[https://web.archive.org/web/20110823072129/http://www.national.com/pf/LM/LMH7220.html LMH7220] （LVDS 输出）、[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1481 MAX999] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1481 |date=20100414060742 }} （CMOS output / TTL 输出）、[http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1004,C1012,P1817 LT1719] {{Webarchive|url=https://archive.today/20130127214618/http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1004,C1012,P1817 |date=2013-01-27 }} （CMOS 输出/ TTL 输出）、[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2490/t/al MAX9010] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2490/t/al |date=20091228173145 }} （TTL 输出）和[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3400/t/al MAX9601] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3400/t/al |date=20100328173649 }} （PECL 输出）等高速比较器。

===内置参考电压===
比较器一般被用于输入电压与给定参考电压的比较。大多数厂商都在生产的芯片中集成了参考值。将参考电压集成在芯片上的设计可以节省空间，同时[[电流]]还小于外接参考电压的比较器。<ref name="test"/> 带有参考电压的芯片包括：[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5823/t/al MAX9062] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5823/t/al |date=20100330215127 }}（参考电压200 mV ）、[http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1004,C1013,P2340 LT6700] {{Webarchive|url=http://arquivo.pt/wayback/20160515060838/http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1004,C1013,P2340 |date=2016-05-15 }}（参考电压400 mV）、[http://www.analog.com/en/power-management/battery-management/adcmp350/products/product.html ADCMP350] {{Wayback|url=http://www.analog.com/en/power-management/battery-management/adcmp350/products/product.html |date=20100828153441 }}（参考电压600mV）、[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268/t/al MAX9025] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268/t/al |date=20080719173922 }}（参考电压1.236V）、[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2122/t/al MAX9040] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2122/t/al |date=20091221015430 }}（参考电压2.048V）、[http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlv3012.html TLV3012] {{Wayback|url=http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlv3012.html |date=20110604214816 }}（参考电压1.24V）和[http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/9208.pdf TSM109] {{Wayback|url=http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/9208.pdf |date=20110725220631 }}（参考电压2.5V）。
===时间连续与鐘控===
[[File:Dynamic Comparator.png|thumb|right|350px|低功耗CMOS鐘控比较器]]
时间连续比较器持续不断地根据输入的信号输出“0”或“1”的结果，且随着输入信号的改变迅速改变。但是许多实际设计如数模转换和[[内存]]中只需要在指定的情况下输出。通过时钟控制或时钟触发方式让比较器按照固定的时间间隔工作，可以使比较器达到更高的精度同时消耗更低功率。当时钟处于高电平时，比较器处于时钟再生模式，对输入信号进行处理，给出强信号；当时钟位于低电平时，比较器进入复位模式。<ref>
{{cite book
 | title = Offset Reduction Techniques in High-Speed Analog-to-Digital Converters: Analysis, Design and Tradeoffs
 | author = Pedro M. Figueiredo, João C. Vital
 | publisher = Springer
 | year = 2009
 | isbn = 9781402097157
 | pages = 54–62
 | url = http://books.google.com/books?id=El9Ki0spMEwC&pg=PA55&dq=%22output+voltages+of+the+latched+comparator%22+regeneration+reset+phase&hl=en&ei=cVe_TOGEE8m1ngfBmryJDg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CCUQ6AEwAA#v=onepage&q=%22output%20voltages%20of%20the%20latched%20comparator%22%20regeneration%20reset%20phase&f=false
 }}</ref>  
这与没有复位模式，只能一直给出弱信号的时间连续比较器相反。

==应用==
===过零比较器===
过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压V<sub>r</sub>，一个是待测电压V<sub>u</sub>。一般V<sub>r</sub>从正相输入端接入，V<sub>u</sub>从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。

用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与[[开环放大倍数]]之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为10<sup>6</sup>，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的[[不确定度]]。<ref>''Electronics and Instrumentation for Scientists''.  Malmstadt, Enke, and Crouch, The Benjamin/Cummings Publishing Co., In., 1981, pp.108–110.</ref>

===弛张振荡器===
比较器可以用于构造[[弛张振荡器]]，其中同时应用到了正反馈和负反馈。正反馈是一个[[施密特触发器]]，这样组成了一个[[多谐振荡器]]。而RC电路在其中增加了负反馈，导致电路开始自发振荡，使整个电路从[[锁存器]]变成了弛张振荡器。<ref>Paul Horowitz and Winfield Hill: ''The Art of Electronics'',
Cambridge University Press, Second edition, Cambridge 1989, pp.284–285.</ref>

===电平转换器===
使用漏极开路的比较器（例如[https://web.archive.org/web/20110727232105/http://www.national.com/mpf/LM/LM393.html LM393]、 [http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlv3011.html TLV3011] {{Wayback|url=http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlv3011.html |date=20110604214801 }}和[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268/t/al MAX9028] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4268/t/al |date=20080719173922 }}）可以构造电平转换器，用于改变信号电压。选择适当的上拉电压可以灵活地选择转换的电压值。例如使用[http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1279 MAX972] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1279 |date=20100602102520 }}比较器可以把±5V的信号转换成3V信号。<ref name="test">AN886, Maxim Integrated Products, [http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/886/ Selecting the Right Comparator] {{Wayback|url=http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/886/ |date=20091124031055 }}.</ref>
===模数转换器===
比较器的作用是比较一个输入信号是否高于某一给定值，因此可以将输入的模拟信号转成二进制的数字信号。包括[[ΔΣ调变|ΔΣ调制]]在内的几乎所有的数模转换器都含有比较器，用于对输入的模拟信号进行量化。

==参见==
*[[运算放大器]]
*[[模数转换器]]

==参考资料==
{{reflist}}

==外部链接==
{{Wiktionary}}
* [https://web.archive.org/web/20070125032516/http://home.cogeco.ca/%7Erpaisley4/Comparators.html IC Comparator reference page at home.cogeco.ca]
* [http://www.afrotechmods.com/videos/op_amp_comparator.htm Comparator tutorial video with example circuits]{{dead link|date=六月 2017 |bot=InternetArchiveBot }}

{{Authority control}}
[[Category:电路]]
[[Category:不等]]