1. 为什么电压比较器值得单独拿出来讲模电课上讲运放十有八九是从反相比例放大器开始的然后是同相放大、加法器、积分微分一路推导公式。但真正到了实际项目里运放最常用的场景之一其实是电压比较器——把模拟量变成一个开关量告诉后级电路“现在电压过线了”或者“现在电压还没到”。这个动作看起来简单但里面藏着的坑一点都不少。我刚开始做硬件那几年最怕的就是别人跟我说“你帮我搭个比较器超过3V就输出高电平”。听起来一句话的事实际做出来要么在阈值附近疯狂抖动要么输出波形边沿惨不忍睹要么温度一变阈值就飘了。后来踩的坑多了才明白比较器这东西单限、滞回、窗口三种结构对应的是完全不同的应用场景选错了结构后面怎么调都是白费功夫。这篇内容就是把我这些年做比较器电路的经验整理出来从最基础的单限比较器讲起然后讲怎么用正反馈把抖动干掉再讲窗口比较器怎么判断“电压在不在某个范围内”。每个电路都会给出完整的参数计算过程、实测波形分析以及我在实际调试中遇到的典型问题和排查方法。不管你是刚学模电的学生还是工作里需要用到比较器的工程师这些内容都能直接拿去用。LM393大概是模电世界里最经典的比较器芯片了便宜、好买、双路输出、开集电极结构几乎每个电子爱好者的元件盒里都有几片。但很多人第一次用LM393都会遇到一个问题输出为什么没有高电平因为它是开集电极输出必须外接上拉电阻才能输出高电平。这个坑我在第一次用的时候也踩过当时以为芯片坏了换了好几片才发现是上拉电阻没接。所以后面讲电路的时候我会把LM393的每一个外围元件都解释清楚让你不再犯这种低级错误。2. 单限比较器最基础但也最容易翻车的结构2.1 单限比较器的核心原理与电路拓扑单限比较器顾名思义就是只有一个阈值电压。输入电压高于这个阈值时输出一种状态低于这个阈值时输出另一种状态。最经典的实现方式是用运放或者专用比较器芯片把参考电压接在一个输入端待比较信号接在另一个输入端。以LM393为例它的两个输入端分别是同相输入端IN和反相输入端IN-。如果我们把参考电压Vref接在IN-待比较信号Vin接在IN那么当Vin Vref时输出管截止通过上拉电阻输出高电平当Vin Vref时输出管导通输出被拉到接近地电位也就是低电平。这就是一个同相单限比较器。反过来如果把Vref接在INVin接在IN-那么逻辑就反过来了Vin Vref时输出低电平Vin Vref时输出高电平。这是反相单限比较器。电路看起来简单但有几个关键点决定了它能不能稳定工作。第一个是参考电压的稳定性。如果你直接用电阻分压从电源取Vref电源一波动阈值就跟着波动。我见过一个案例有人用5V电源分压得到2.5V参考电压结果电机一启动电源掉到4.5V阈值直接变成2.25V整个系统的判断逻辑全乱了。所以参考电压最好用基准源芯片比如TL431或者至少用稳压后的电源分压。第二个关键点是输入端的保护。比较器的输入电压范围是有限制的LM393的共模输入范围是0到Vcc-1.5V左右。如果你的输入信号可能超过这个范围比如工业现场的信号可能到24V那就必须加限流电阻和钳位二极管否则芯片直接损坏。我一般会在输入端串一个10k的电阻然后对电源和地各接一个肖特基二极管做钳位。第三个关键点是输出上拉电阻的选择。LM393是开集电极输出上拉电阻的阻值直接影响输出波形的上升沿。阻值太大上升沿变缓后级数字电路可能识别不了阻值太小输出低电平时灌电流太大可能超过芯片的承受能力。LM393的输出灌电流最大是16mA所以上拉电阻最小不能小于Vcc/16mA。比如5V供电时最小上拉电阻是312.5欧姆实际取1k到10k之间比较合适。我一般用4.7k或者10k兼顾速度和功耗。2.2 单限比较器的参数计算与实操步骤假设我们要设计一个单限比较器要求是输入信号是一个0到5V的缓慢变化的直流电压当输入超过3V时输出高电平低于3V时输出低电平。供电是5V使用LM393。第一步确定参考电压。我们需要一个稳定的3V参考。如果用电阻分压假设用10k和15k的电阻从5V分压得到的是3V。但前面说了电源波动会影响阈值。所以更好的方案是用TL431产生2.5V基准然后再分压得到3V。不过为了简单起见这里先用电阻分压但要在电源端加一个100uF的电解电容和0.1uF的陶瓷电容做滤波。第二步确定输入端连接方式。因为要求输入超过3V时输出高电平所以输入接IN参考接IN-。这样当Vin Vref时IN电压高于IN-输出管截止上拉电阻把输出拉到高电平。第三步选择上拉电阻。5V供电LM393灌电流最大16mA所以上拉电阻最小312.5欧姆。考虑到上升沿速度和功耗选4.7k。上升沿时间大概在几百纳秒到1微秒之间对于缓慢变化的直流信号来说完全够用。第四步加输入保护。在IN输入端串一个10k电阻然后对地接一个3.3V的稳压二极管对电源接一个肖特基二极管。这样即使输入电压超过5V也不会损坏芯片。第五步加输出滤波。如果后级是数字电路可以在输出端加一个100nF的电容到地滤掉高频噪声。但注意这个电容会影响上升沿如果后级对边沿要求高就不要加。实际搭电路的时候我用的是面包板输入信号用一个电位器从5V分压得到用万用表监测输入电压同时用示波器看输出波形。慢慢调节电位器当输入电压从2.9V升到3.1V时输出从低电平跳到高电平。但问题来了在3V附近输出并不是干净地跳变而是在高电平和低电平之间反复抖动。这就是单限比较器的经典问题——阈值附近的噪声导致输出振荡。2.3 单限比较器的波形分析与抖动问题为什么会在阈值附近抖动因为任何实际信号上都叠加着噪声可能是电源纹波、可能是空间耦合的干扰、也可能是信号源本身的噪声。当输入电压在阈值附近时噪声会让输入电压在阈值上下反复穿越比较器的输出就跟着反复翻转。我用示波器抓过这个波形输入信号是一个缓慢上升的直流电压上面叠加了大概20mV峰峰值的噪声。当输入电压接近3V时输出波形上出现了一串密集的脉冲频率大概在几百kHz到几MHz之间。这个抖动如果直接送给后级计数器或者单片机的中断引脚会导致误计数或者频繁中断系统根本没法正常工作。解决这个问题有两个方向。第一个方向是滤波在输入端加RC低通滤波把高频噪声滤掉。比如在输入串联10k电阻对地接1uF电容截止频率大概是16Hz对于缓慢变化的直流信号来说完全不影响但能把高频噪声衰减掉。这个方法简单有效但缺点是如果输入信号本身变化较快滤波会引入延迟。第二个方向是引入正反馈把单限比较器变成滞回比较器。这是更根本的解决方案也是实际工程中最常用的方法。正反馈会在输出翻转时改变阈值电压形成一个“迟滞窗口”噪声必须超过这个窗口才能让输出再次翻转。具体怎么实现下一章详细讲。这里先给一个实测数据在单限比较器输入端加10k1uF的RC滤波后输出抖动从原来的几百kHz降低到了几Hz基本可以接受了。但如果噪声幅度更大比如100mV峰峰值那RC滤波就不够了必须用滞回比较器。注意单限比较器只适合输入信号干净、或者对阈值附近抖动不敏感的场景。如果输入信号来自传感器、电机、继电器等噪声源直接上滞回比较器不要犹豫。3. 滞回比较器用正反馈把抖动彻底干掉3.1 滞回比较器的工作原理与阈值计算滞回比较器也叫施密特触发器核心思想是在比较器中引入正反馈。当输出翻转时正反馈会瞬间把阈值电压拉到一个新的值这样输入信号必须反向变化超过一定幅度输出才能再次翻转。这个“一定幅度”就是回差电压也叫迟滞电压。以LM393为例最简单的滞回比较器电路是这样的在单限比较器的基础上从输出端通过一个电阻Rf反馈到同相输入端。假设输入信号接在反相输入端参考电压通过电阻R1接在同相输入端同时同相输入端还通过Rf接输出端。当输出是高电平时输出端通过Rf和R1的分压作用同相输入端的电压会升高当输出是低电平时同相输入端的电压会降低。这样阈值就有了两个值一个上阈值VTH一个下阈值VTH-。具体计算一下。假设Vcc5V上拉电阻Rpull4.7kR110k接参考电压Vref2.5VRf100k从输出反馈到同相输入端。当输出高电平时输出端电压接近5V此时同相输入端的电压由Vref、输出高电平、R1和Rf共同决定。用叠加定理计算VTH (Vref × Rf Vout_high × R1) / (R1 Rf) (2.5 × 100k 5 × 10k) / (10k 100k) (250 50) / 110 2.727V当输出低电平时输出端电压接近0V此时VTH- (Vref × Rf Vout_low × R1) / (R1 Rf) (2.5 × 100k 0 × 10k) / 110k 250 / 110 2.273V所以回差电压是VTH - VTH- 0.454V也就是454mV。这意味着输入信号必须从低于2.273V上升到高于2.727V输出才会从高电平翻转到低电平然后必须从高于2.727V下降到低于2.273V输出才会翻回去。中间这454mV的窗口就是噪声的“死区”只要噪声幅度小于454mV输出就不会抖动。回差电压的大小由R1和Rf的比值决定。Rf越大正反馈越弱回差越小Rf越小正反馈越强回差越大。实际设计中回差电压一般取输入信号噪声峰峰值的2到5倍。比如噪声是100mV峰峰值回差取200mV到500mV比较合适。3.2 滞回比较器的实操调试与波形对比搭这个电路的时候我建议先用仿真软件跑一遍比如Multisim或者LTspice把阈值和波形确认了再焊板子。仿真里可以很方便地扫描Rf的值看回差电压怎么变化。我一般会扫Rf从10k到1M找到合适的值再实际搭。实际搭电路时有几个细节要注意。第一个是输出上拉电阻和反馈电阻的配合。因为LM393是开集电极输出输出高电平是通过上拉电阻拉上去的所以输出高电平的电压就是Vcc减去上拉电阻上的压降。如果上拉电阻太大而反馈电阻又比较小输出高电平可能达不到Vcc导致阈值计算不准。我一般会让上拉电阻远小于反馈电阻比如上拉4.7k反馈100k这样输出高电平基本就是Vcc。第二个细节是输入端的偏置电流。LM393的输入偏置电流大概是25nA虽然不大但如果输入端电阻太大比如1M欧姆那偏置电流产生的误差电压就是25mV会影响阈值精度。所以输入端电阻最好不要超过100k。第三个细节是正反馈的稳定性。正反馈虽然能消除抖动但如果反馈太强可能会引起高频振荡。我遇到过一种情况Rf取得太小比如1k结果输出在翻转时出现高频振铃。后来把Rf加大到100k就正常了。所以Rf不要取得太小一般至少是R1的5倍以上。实测波形对比很直观。用信号发生器产生一个1kHz的正弦波幅度从0到5V叠加100mV的噪声。单限比较器的输出在过零点附近有密集的抖动脉冲换成滞回比较器后输出是干净的方波边沿陡峭没有抖动。用示波器的余辉模式看单限比较器的输出在阈值附近是一片模糊的亮带滞回比较器的输出是清晰的两条水平线。3.3 滞回比较器的常见问题与排查滞回比较器最常遇到的问题有三个。第一个是回差电压不够输出仍然抖动。原因可能是Rf太大正反馈太弱。解决办法是减小Rf或者增大R1。但注意R1也不能太大否则输入偏置电流的影响会变大。第二个问题是阈值偏移实际测到的阈值和计算值差很多。原因可能是上拉电阻太大导致输出高电平达不到Vcc或者参考电压不稳定或者输入偏置电流在输入电阻上产生了压降。排查方法是先用万用表测输出高电平和低电平的实际电压再测同相输入端的电压和计算值对比。第三个问题是输出边沿变缓。如果上拉电阻太大而输出端又有较大的容性负载比如长电缆或者后级CMOS输入上升沿会变成指数曲线可能达不到数字电路的识别要求。解决办法是减小上拉电阻或者在输出端加一个推挽缓冲级。我个人的经验是滞回比较器的调试顺序应该是先确认参考电压稳定再确认输出高低电平正确然后测阈值最后看波形。如果阈值不对先检查电阻值有没有焊错再检查电源电压是不是和设计一致。很多时候问题就出在最简单的地方比如电阻色环看错了或者电源实际是4.8V而不是5V。提示滞回比较器的回差电压不是越大越好。回差太大比较器的灵敏度就降低了输入信号变化很小的时候输出不响应。一般回差取噪声峰峰值的2到5倍既能抗噪又不至于太迟钝。4. 窗口比较器判断电压在不在范围内4.1 窗口比较器的电路结构与逻辑分析窗口比较器要解决的问题是判断一个电压是不是在某个范围内。比如电池电压在3.0V到4.2V之间是正常的低于3.0V是过放高于4.2V是过充。这时候就需要两个阈值一个上限一个下限。输入电压在两者之间时输出一种状态在两者之外时输出另一种状态。实现窗口比较器有两种常见方案。第一种是用两个单限比较器加一个逻辑门。一个比较器检测上限一个检测下限然后把两个输出做逻辑运算。第二种是用一个比较器加正反馈网络但这种方式调试起来比较麻烦不如第一种直观。我一般用第一种方案因为逻辑清晰调试方便。具体电路是用一片LM393里面有两个独立的比较器。第一个比较器A检测上限VH输入接IN-参考接IN参考电压是VH。第二个比较器B检测下限VL输入接IN参考接IN-参考电压是VL。然后把两个比较器的输出通过二极管或者逻辑门组合起来。如果要求输入电压在VL和VH之间时输出高电平那么逻辑是A输出低电平因为Vin VHB输出高电平因为Vin VL两者经过一个与门输出高电平。当Vin VL时A输出低电平B输出低电平与门输出低电平。当Vin VH时A输出高电平B输出高电平与门输出低电平。所以与门的输出就是窗口判断结果。但LM393是开集电极输出两个输出可以直接“线与”把两个输出接在一起共用一个上拉电阻。这样只有当两个输出都是高电平时线与的结果才是高电平。这正好实现了与逻辑不需要额外的与门芯片。这是LM393的一个很方便的特性。4.2 窗口比较器的参数设计与实现细节假设我们要设计一个电池电压监测电路电池是单节锂电池正常范围3.0V到4.2V。供电是5V使用LM393。要求电池电压在3.0V到4.2V之间时输出高电平否则输出低电平。第一步产生两个参考电压。上限VH4.2V下限VL3.0V。可以用TL431产生2.5V基准然后用电阻分压得到4.2V和3.0V。但4.2V比2.5V高不能直接从2.5V分压得到。所以要么用更高的基准比如5V基准要么用两个TL431分别产生。为了简单这里直接用5V电源分压但要在电源端加滤波。分压电阻的计算对于VH4.2V用10k和15.8k分压5V × 15.8/(1015.8) 3.07V不对。应该是5V × R2/(R1R2) 4.2V所以R2/(R1R2) 0.84取R11.6kR28.4k实际用1.6k和8.2k得到4.19V够用了。对于VL3.0V5V × R2/(R1R2) 3.0VR2/(R1R2) 0.6取R14kR26k实际用3.9k和5.9k得到3.01V。第二步连接比较器。比较器A检测上限参考电压VH接IN电池电压接IN-。当电池电压低于4.2V时IN- IN输出管截止输出高电平。比较器B检测下限参考电压VL接IN-电池电压接IN。当电池电压高于3.0V时IN IN-输出管截止输出高电平。两个输出接在一起共用一个4.7k上拉电阻。第三步分析逻辑。电池电压在3.0V到4.2V之间时A输出高B输出高线与后输出高。电池电压低于3.0V时A输出高因为Vin 4.2VB输出低因为Vin 3.0V线与后输出低。电池电压高于4.2V时A输出低因为Vin 4.2VB输出高因为Vin 3.0V线与后输出低。逻辑正确。第四步加输入保护和滤波。电池电压可能超过5V吗单节锂电池最高4.2V不会超过5V所以不需要钳位。但为了安全还是在输入端串一个10k电阻。滤波方面电池电压变化缓慢可以在输入端加一个1uF电容到地。4.3 窗口比较器的波形实测与边界问题实测的时候我用一个可调电源模拟电池电压从2V慢慢调到5V同时用示波器看输出。当电压从2V升到3.0V时输出从低电平跳到高电平继续升到4.2V时输出从高电平跳回低电平。下降过程中从5V降到4.2V时输出跳高降到3.0V时输出跳低。逻辑完全正确。但边界附近有问题。在3.0V和4.2V附近输出仍然有抖动因为这是两个单限比较器没有滞回。解决方法是给每个比较器都加正反馈变成两个滞回比较器。这样每个阈值都有回差边界抖动就消除了。加正反馈的方法和前面讲的一样从每个比较器的输出通过一个电阻反馈到各自的同相输入端。注意两个比较器的反馈是独立的不能共用。反馈电阻取100k参考分压电阻取10k左右回差大概几百mV。还有一个问题是两个比较器的输出线与。因为LM393是开集电极输出线与是没问题的。但如果用其他类型的比较器比如推挽输出的就不能直接线与否则会烧芯片。所以用LM393做窗口比较器是很方便的但换成别的芯片就要加逻辑门。注意窗口比较器的两个阈值不能太接近否则回差窗口会重叠导致逻辑混乱。一般两个阈值之间至少要有回差电压两倍以上的间隔。比如回差是200mV那两个阈值至少相差400mV。5. 比较器电路调试中那些文档不会写的事5.1 电源去耦与参考电压的稳定性比较器电路对电源噪声非常敏感因为阈值电压直接和电源相关。我见过很多次电路原理图完全正确但一上电就输出乱跳最后发现是电源去耦没做好。LM393的电源引脚旁边必须放一个0.1uF的陶瓷电容越近越好。如果板上还有其他数字电路最好再并一个10uF的钽电容。参考电压的稳定性更重要。如果用电阻分压分压电阻的精度和温漂直接影响阈值。普通碳膜电阻温漂大概500ppm/°C温度变化20°C阈值就漂1%。对于精度要求高的场合要用金属膜电阻温漂50ppm/°C。更好的方案是用TL431它的温漂典型值是50ppm/°C而且输出阻抗低带载能力强。TL431的用法很简单参考端接分压电阻阴极通过限流电阻接电源阳极接地。输出电压由两个分压电阻决定Vout 2.5V × (1 R1/R2)。比如要得到5V基准R110kR210kVout5V。但注意TL431的阴极电压不能低于2.5V否则工作不正常。5.2 输入信号的处理与保护比较器的输入信号来自各种传感器可能是热电偶的毫伏级信号也可能是工业现场的24V信号。对于小信号要注意输入偏置电流的影响。LM393的输入偏置电流是25nA如果输入电阻是100k误差电压是2.5mV。对于毫伏级信号这个误差就很大了。所以小信号输入时输入电阻要小或者用低偏置电流的比较器比如TLV1701偏置电流只有几pA。对于大信号必须加保护。我一般用两级保护第一级是串联电阻限流第二级是钳位二极管。串联电阻取10k到100k根据输入电压范围选择。钳位二极管用BAV99或者1N4148对电源和地各接一个。这样即使输入电压到100V流过二极管的电流也被限制在安全范围内。还有一个容易被忽略的问题是输入信号的源阻抗。如果信号源内阻很大比如100k而比较器输入端又有偏置电流就会产生误差。更严重的是如果输入端有电容源阻抗和电容会形成低通滤波导致信号延迟。所以信号源内阻大时最好加一个电压跟随器做缓冲。5.3 输出负载与上升沿优化LM393的输出是开集电极可以灌电流但不能拉电流。输出高电平完全靠上拉电阻。上拉电阻的选择要权衡速度和功耗。阻值小上升沿快但功耗大阻值大功耗小但上升沿慢。上升沿时间可以用公式估算tr ≈ 2.2 × Rpull × Cload。假设Cload是20pF后级CMOS输入Rpull是4.7ktr ≈ 2.2 × 4700 × 20e-12 ≈ 207ns。如果Rpull是100ktr ≈ 4.4us。对于大多数数字电路4.4us也能接受但如果后级是高速计数器就必须用小的上拉电阻。如果上拉电阻已经很小了上升沿还是不够快可以在输出端加一个推挽缓冲级。用两个三极管组成互补推挽或者用一个74HC04反相器做缓冲。注意反相器会反相如果逻辑不对可以用两个反相器串联。输出端如果有长电缆还要考虑电缆的容性负载和反射。我一般会在输出端串一个33欧姆的电阻做阻抗匹配减少反射。如果电缆很长比如超过1米最好用双绞线或者屏蔽线。5.4 常见问题速查表问题现象可能原因排查方法解决方案输出始终低电平上拉电阻没接或开路万用表测输出对地电阻接上拉电阻4.7k到10k输出始终高电平输入接反或参考电压不对测输入端电压和参考电压检查接线调整参考电压阈值附近输出抖动没有滞回噪声导致示波器看输入噪声加正反馈或加RC滤波阈值偏移大参考电压不稳或电阻误差测参考电压和电阻值用基准源换精密电阻输出上升沿慢上拉电阻太大或负载电容大测上升沿时间减小上拉电阻加缓冲芯片发热输出灌电流过大测输出低电平时电流增大上拉电阻加限流高频振荡正反馈太强或布局不好看振荡频率增大反馈电阻加去耦这个表是我这些年调试比较器电路总结出来的基本上覆盖了90%以上的问题。每次遇到问题先查这个表能省很多时间。6. 从单限到窗口三种比较器的选型逻辑6.1 应用场景与结构选择的对应关系单限、滞回、窗口三种比较器对应的是三种不同的应用需求。单限比较器适合输入信号干净、对阈值附近抖动不敏感的场景比如过零检测、简单的电平指示。滞回比较器适合输入信号有噪声、需要稳定输出的场景比如传感器信号整形、按键去抖、电机换向检测。窗口比较器适合需要判断电压范围的场景比如电池充放电管理、电源电压监测、信号幅度检测。选型的核心是看输入信号的质量和对输出稳定性的要求。如果输入信号是干净的直流或者缓慢变化的信号单限就够了。如果输入信号上有噪声或者变化过程中会多次穿越阈值就必须用滞回。如果需要判断“在不在范围内”就用窗口。我个人的经验是能用滞回就用滞回。因为滞回比较器只比单限多一个电阻成本几乎不变但稳定性提升巨大。除非输入信号非常干净或者对回差有严格限制否则我都会加正反馈。6.2 从单限到滞回的改造步骤如果你已经搭了一个单限比较器发现输出抖动想改成滞回步骤很简单。第一步确认输出端和同相输入端之间没有反馈电阻。第二步在输出端和同相输入端之间加一个电阻Rf阻值取R1的5到10倍。第三步重新计算阈值确认回差电压满足要求。第四步实测波形如果还有抖动减小Rf或者增大R1。改造的时候要注意如果原来参考电压是直接接在同相输入端的加反馈电阻后参考电压的分压点会受到影响。所以最好把参考电压通过一个电阻接到同相输入端而不是直接接。这样反馈电阻和参考电阻形成分压阈值计算才准确。6.3 从滞回到窗口的扩展方法如果你已经有一个滞回比较器想扩展成窗口比较器需要再加一个比较器。用一片LM393里面有两个比较器正好一个做上限一个做下限。把两个输出线与共用一个上拉电阻。然后分别给两个比较器加正反馈。扩展的时候要注意两个比较器的参考电压要独立设置不能共用。反馈电阻也要独立不能共用。输出线与后上拉电阻只需要一个但阻值要重新计算因为两个输出管可能同时导通灌电流会加倍。所以上拉电阻要比单路时大一些或者确认两个输出不会同时导通。提示窗口比较器的两个阈值之间要有足够的间隔至少是回差电压的两倍。否则两个回差窗口会重叠导致输出逻辑混乱。比如回差是200mV上限4.2V下限3.0V间隔1.2V远大于400mV没问题。但如果上限3.2V下限3.0V间隔200mV就太小了。7. 实测波形分析从示波器上读出电路的健康状态7.1 单限比较器的波形特征与问题识别单限比较器的理想波形是干净的方波边沿陡峭没有过冲和振铃。但实际波形往往不是这样。如果输入信号上有噪声输出在阈值附近会有抖动脉冲。如果上拉电阻太大上升沿会变缓变成指数曲线。如果输入端有电容输出会有延迟。我用示波器抓过各种单限比较器的波形总结了几种典型的问题波形。第一种是“毛刺波”输出在阈值附近有一串密集的窄脉冲这是噪声导致的抖动。第二种是“斜坡波”上升沿和下降沿都是斜的这是上拉电阻太大或者负载电容太大。第三种是“振铃波”边沿上有高频振荡这是布局不好或者正反馈太强。识别这些波形就能快速定位问题。毛刺波加滞回或者滤波斜坡波减小上拉电阻振铃波调整反馈或者加去耦。7.2 滞回比较器的波形特征与回差测量滞回比较器的波形应该是干净的方波边沿陡峭没有抖动。用示波器的余辉模式看输出只有两条水平线没有中间的模糊带。测量回差的方法是用可调电源慢慢调输入电压记录输出从高跳到低时的输入电压VTH和从低跳到高时的输入电压VTH-两者之差就是回差。实测的时候我一般会用示波器的两个通道一个看输入一个看输出。输入用直流耦合输出用交流耦合。慢慢调输入电压看输出跳变时的输入电压值。注意输入电压要用高精度万用表测示波器的直流精度不够。如果回差和计算值差很多先检查电阻值再检查电源电压最后检查输入偏置电流的影响。我遇到过一回回差计算是400mV实测只有200mV后来发现是上拉电阻用了100k输出高电平只有4.5V而不是5V导致正反馈减弱。7.3 窗口比较器的波形特征与边界测试窗口比较器的波形是一个“台阶”形状输入电压在窗口内时输出高电平在窗口外时输出低电平。用示波器看输出是一个高电平脉冲宽度等于输入电压在窗口内的时间。边界测试是窗口比较器调试的重点。要分别测试上限和下限的跳变点以及回差。测试方法和滞回比较器一样用可调电源慢慢调记录跳变点。注意两个阈值的跳变点要分别测不能混在一起。如果边界附近有抖动说明回差不够要加大反馈。如果两个阈值的跳变点互相影响说明两个比较器的反馈有耦合要检查布线和电源去耦。8. 元件选型与布局布线的一些经验8.1 比较器芯片的选型对比LM393是最常用的比较器便宜、好买、双路、开集电极。但它的输入偏置电流大输入共模范围窄输出需要上拉。对于一般应用足够了但对于高精度、低功耗、宽共模范围的应用就要选别的芯片。LM339是四路比较器和LM393类似但通道更多。LM311是单路比较器输出可以配置成开集电极或者开发射极比较灵活。TLV1701是低功耗比较器偏置电流只有几pA适合高阻抗信号源。TLV3501是高速比较器传输延迟只有几纳秒适合高速信号。选型的时候主要看几个参数输入偏置电流、输入共模范围、输出类型、传输延迟、功耗。对于电池供电的应用功耗很重要要选低功耗的。对于高速信号传输延迟很重要要选高速的。对于高阻抗信号源偏置电流很重要要选低偏置的。8.2 电阻电容的选择与精度考虑比较器电路里的电阻主要影响阈值精度和回差。分压电阻和反馈电阻的精度直接影响阈值。普通应用用5%精度的碳膜电阻就够了精密应用要用1%的金属膜电阻。电阻的温漂也要考虑碳膜电阻温漂大金属膜电阻温漂小。电容主要用在滤波和去耦。去耦电容用0.1uF的陶瓷电容越近越好。滤波电容根据信号频率选择截止频率要远低于信号频率但也不能太低否则延迟太大。我一般用10k电阻配1uF电容截止频率16Hz对于直流信号足够了。8.3 PCB布局布线的注意事项比较器电路的布局布线有几个要点。第一电源去耦电容要尽量靠近芯片的电源引脚引线越短越好。第二输入信号线要远离输出线和高频线避免耦合。第三反馈电阻要靠近芯片引线要短避免引入寄生电容。第四参考电压的分压电阻要靠近芯片避免长引线引入噪声。如果是双面板最好有一层完整的地平面。地平面可以屏蔽噪声也可以提供稳定的参考。输入信号线走在顶层地平面在底层形成微带线减少干扰。我见过一个案例比较器电路在面包板上工作正常一焊到PCB上就输出抖动。后来发现是PCB布局不好输出线从输入线旁边走过耦合了噪声。把输出线改道后问题解决。所以布局布线不是小事尤其是比较器这种对噪声敏感的电路。9. 写在最后的一些个人体会比较器电路看起来简单但真正做好不容易。我这些年做过的比较器电路从简单的过零检测到复杂的电池管理每一个都有不同的坑。单限比较器的坑在噪声滞回比较器的坑在回差计算窗口比较器的坑在阈值间隔。每一个坑我都踩过也都总结出了对应的解决方法。LM393是我用得最多的比较器便宜、好用、皮实。但它的开集电极输出和输入偏置电流是两个需要特别注意的地方。开集电极输出必须加上拉电阻输入偏置电流在输入电阻大时会产生误差。这两个点我在文章里反复强调因为真的太容易出问题了。如果你刚开始学比较器我建议从单限开始搭一个简单的电路用示波器看波形理解阈值和输出的关系。然后加正反馈变成滞回观察回差对输出的影响。最后用两个比较器搭窗口理解范围判断的逻辑。这三个电路搭下来比较器的核心就掌握了。实际项目中我一般会先用仿真软件验证参数再搭面包板测试最后画PCB。仿真可以快速迭代参数面包板可以验证实际波形PCB是最终产品。每一步都不能省尤其是面包板测试能发现很多仿真发现不了的问题比如噪声、布局、电源波动。比较器电路的精髓在于稳定。不管输入信号怎么变化输出只有两种状态而且状态切换要干净利落。单限、滞回、窗口三种结构对应三种稳定策略。选对了结构调试就成功了一半。剩下的就是细节电源去耦、输入保护、输出上拉、布局布线。把这些细节都做到位比较器电路就能稳定可靠地工作。
