_电压比较器与应用
比较器工作原理及应用
比较器工作原理及应用比较器通常由一个差分放大器和一个阈值电平产生器组成。
差分放大器接收两个输入信号：一个是待比较的信号，另一个是阈值电平。
差分放大器会将比较信号与阈值电平相减，输出一个差值。
如果差值为正值，则比较信号较大；如果差值为负值，则比较信号较小；如果差值为零，则说明两个信号相等。
根据差值的正负性，比较器会输出对应的逻辑电平。
比较器有许多不同的类型，其中最常见的类型是电压比较器、窗口比较器和比例比较器。
1.电压比较器：电压比较器是最基本的比较器类型，用于将两个输入电压进行比较，并将比较结果表示为高电平或低电平输出。
电压比较器通常用于比较模拟信号的大小，并将其转化为数字信号。
2.窗口比较器：窗口比较器是一种特殊的比较器，它可以比较一个输入信号是否在一个预定的范围内。
窗口比较器有两个阈值，用于定义一个上限和一个下限。
如果输入信号超出了这个范围，则比较器会输出一个逻辑电平表示超出范围。
3.比例比较器：比例比较器是一种特殊的比较器，用于比较两个输入信号的比例关系。
比例比较器通常用于模拟信号的比较，如音频信号的比较。
比较器在现代电子系统中有广泛的应用。
以下是一些比较器的应用领域：1.模数转换器：比较器常用于模数转换器（ADC）中，将模拟信号转换为数字信号。
模数转换器使用比较器来比较输入信号与参考电压的大小，并将比较结果表示为数字编码。
2.电压参考源：比较器可以用于生成稳定的参考电压。
通过比较输入信号与参考电压，比较器可以产生一个恒定的电压输出，用作系统中其他电路的参考电压。
3.触发器：比较器可以用于产生触发器信号，用于控制系统中的时钟和触发信号。
比较器可以比较输入信号与阈值电平，并在输入信号超过或低于阈值时产生一个触发信号。
4.门电路：比较器也可以用于实现门电路，如与门、或门和非门等。
比较器可以比较输入信号的大小，并产生一个逻辑电平作为输出。
总之，比较器是一种基本的电子设备，用于比较信号大小，并将结果表示为逻辑电平。
电压比较器与应用
03
使用模拟电路实现
通过模拟电路的方式实现 电压比较器，可以获得较 好的性能和精度。
使用数字电路实现
通过数字电路的方式实现 电压比较器，可以简化电 路设计并提高可靠性。
使用集成芯片实现
使用集成芯片实现电压比 较器，可以方便地实现复 杂的电路功能，并降低成 本。
电压比较器的优化策略
优化阈值电压
通过优化阈值电压，可以 提高比较器的精度和响应 速度。
电压比较器与应用
目 录
• 电压比较器简介 • 电压比较器的应用 • 电压比较器的性能参数 • 电压比较器的设计与实现 • 电压比较器的常见问题与解决方案 • 电压比较器的发展趋势与展望
01
CATALOGUE
电压比较器简介
电压比较器的定义
总结词
电压比较器是一种电子器件，用于比 较两个电压的大小，并根据比较结果 输出相应的电信号。
输入阻抗
指电压比较器对输入信号的阻抗大小。
输入失调电压
指输入端为零时，输出端不为零的电压值。
输入失调电压的温度系数
指输入失调电压随温度变化的程度。
输出电压范围
01
输出电压范围
指电压比较器的输出电压可达到 的范围。
03
输出驱动能力
指电压比较器能够驱动的负载电 流大小。
02
输出阻抗
指电压比较器输出端的阻抗大小 。
详细描述
电压比较器由运算放大器（Op-Amp）或类似结构的电路组成。当输入电压高于 参考电压时，比较器的输出端与正电源（VCC）接通，输出高电平；当输入电压 低于参考电压时，比较器的输出端与负电源（VSS）接通，输出低电平。
电压比较器的分类
总结词
根据工作原理和应用需求，电压比较器可分为模拟比较器和数字比较器两大类。
电压比较器的应用场景 -回复
电压比较器的应用场景-回复电压比较器是一种常用的电子元件，可以用来比较不同电压的大小，并输出相应的电平信号。
它具有高速响应、精确度高、功耗低等特点，因此在电子系统中有广泛的应用场景。
本文将从不同的应用场景来解析电压比较器的具体用途。
一、电压比较器在电源管理中的应用电源管理是电子设备中至关重要的一环，而电压比较器则可用于实现电源的监控和控制功能。
比如，可以利用电压比较器对电池的电压进行监测，以提醒用户电池是否需要充电或更换。
此外，电压比较器还可以在电源开关控制电路中起到关断或开启电源信号，保护电子设备不过负荷使用，在过载或短路时实现电流的自动切断。
二、温度传感器与电压比较器的结合应用温度传感器是一类常见的传感器，用于测量温度值并将其转化为电压信号。
当需要根据温度信号来触发某种特定功能时，就需要电压比较器来实现。
例如，当温度超过设定阈值时，电压比较器可以控制风扇的启停，保持设备的温度在安全范围内。
此外，电压比较器还可以应用于温度报警系统中，当温度异常时，通过发送电平信号给主控制器，触发相应的警报或切断电路，防止设备过热损坏。
三、电压比较器在自动控制系统中的应用在自动控制系统中，电压比较器常用于检测输入信号与设定参考电压之间的差异。
比如，用于控制对某个特定输入变量进行判断，并发出相应的控制信号。
例如，当光强度低于预设阈值时，电压比较器可以触发照明系统的开启，以提供足够的照明。
同时，电压比较器还可以用于电动机速度控制，通过检测电动机转速达到设定值时输出的电平信号，实现对马达转速的控制。
四、电压比较器在测量仪器中的应用电压比较器也广泛应用于测量仪器中，用于测量信号与标准信号之间的偏差。
常见的应用包括电压表、电流表、频率计等。
以电压表为例，电压比较器可以将输入信号与标准电压进行比较，然后输出相应的电平信号给显示屏，显示准确的电压数值。
电压比较器的高精度和快速响应使得测量仪器具备了更高的准确性和灵敏度。
五、报警与控制系统中的电压比较器应用电压比较器广泛应用于报警与控制系统中，对信号进行分析和判断，然后触发相应的报警或控制操作。
电压比较器及其应用
电压比较器及其应用在最常用的简单集成电路中，电压比较器仅次于排名第一的运算放大器而排名第二。
各类教科书及相关出版物中可以经常看到关于运算放大器的理论、设计和使用方法的知识内容，而关于比较器的知识内容明显较少。
我们在中等职业技术教学中，补充了一些知识内容，弥补这些不足。
一、电压比较器简介电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
其功能是比较两个输入电压（或者说一个基准电压和一个待比较电压）的大小，并用输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压比较的结果：当“＋”输入端（同相输入端，下同）电压高于“－”输入端（反向输入端，下同）时，输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，输出为低电平。
电压比较器可以用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形的产生和变换等。
利用电压比较器可将正弦波变换为同频率的方波或矩形波。
电压比较器的输入是线性量，而输出是开关量（高电平或低电平）。
一般应用中，可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。
所有的运算放大器都可用作电压比较器，例如LM324、LM358、μA741、TL081、OP27等，这些都可以做成电压比较器。
LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合。
电压比较器有的使用单电源工作，如图1所示。
有的单电源和双电源都可以使用，图2所示使用的就是双电源。
我们经常使用的四电压比较器LM339，既可使用最大值36V的单电源，也可使用±18V的双电源。
电压比较器的输出端，有的自身可以输出高电平及低电平，例如输出级采用推挽式结构的；而有的电压比较器输出级是一只集电极开路的三极管，称作集电极开路输出，参见图3。
也有场效应管漏极开路输出型，与集电极开路输出型类似。
对于集电极开路输出和漏极开路输出的电压比较器，使用时要连接上拉电阻R，输出端才可能有高电平，如图4所示。
上拉电阻R一端连接在比较器的输出端，另一端则有两种选择：一是连接在芯片自身的电源端Vcc上，如图4a，二是连接至另一独立电源，如图4b中的Vcc2上。
电压比较器工作原理及应用
电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。
它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。
本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。
什么是电压比较器简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。
图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端V out(输出电平信号)。
另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压V A，反相端输入VB。
V A和VB的变化如图1(b)所示。
在时间0～t1时，V A>VB；在t1～t2时，VB>V A；在t2～t3时，V A>VB。
在这种情况下，V out的输出如图1(c)所示：V A>VB时，V out输出高电平(饱和输出)；VB>V A时，V out输出低电平。
根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。
如果输入电压V A与某一个固定不变的电压VB相比较，如图3(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(地电平)，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。
从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。
同相放大器电路如图5所示。
如果图5中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。
图5中的Vin相当于图3(b)中的V A。
比较器与运放的差别运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高(使比较器响应速度更快)。
另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。
《电压比较器的应用》课件
在绘制完版图后，检查版图是否符合设计规则， 确保版图的正确性和可制造性。
电压比较器的仿真与测试
建立仿真模型
根据电路设计和版图布局，建立电压比较器的仿真模 型。
进行仿真测试
使用仿真软件对电压比较器进行仿真测试，观察电路 的性能指标是否满足设计要求。
进行实际测试
在实际环境中，搭建测试平台对电压比较器进行实际 测试，验证其性能和可靠性。
研究方向二
研究电压比较器的数字化控制技术，实现智能化 和自适应调节。通过引入数字信号处理技术，对 电压比较器的输出信号进行数字化处理，提高其 抗干扰能力和稳定性。
研究方向四
研究电压比较器的可靠性技术，以提高其在复杂 环境下的稳定性和可靠性。通过加强器件可靠性 设计、优化电路布局和布线等措施，提高电压比 较器的抗干扰能力和稳定性。
选择合适的比较器芯片
根据输入信号范围、精度要求和功耗等因素，选择合适的比较器芯 片。
设计比较器电路
根据比较器芯片的规格书，设计比较器电路，包括输入级、放大器 和输出级等部分。
电压比较器的版图设计
设计版图布局
根据电路设计，合理规划版图布局，确保电路元 件之间的连接关系正确、紧凑。
绘制版图
使用EDA工具，按照电路元件的连接关系，逐一 绘制每个元件的版图。
详细描述
功耗是指电压比较器在工作过程中所消耗 的能源量，通常以功率或能量消耗来表示 。功耗的大小直接影响到比较器的发热、 效率以及电源的负载能力。在节能减排和 绿色环保的背景下，功耗已经成为评价电 子设备性能的重要指标之一。
04
电压比较器的设计与实现
电压比较器的电路设计
确定输入信号范围
根据应用需求，确定电压比较器的输入信号范围，以便选择合适 的比较器芯片或自行设计电路。
电压比较器及其应用
电压比较器及其应用在最常用的简单集成电路中，电压比较器仅次于排名第一的运算放大器而排名第二。
各类教科书及相关出版物中可以经常看到关于运算放大器的理论、设计和使用方法的知识内容，而关于比较器的知识内容明显较少。
我们在中等职业技术教学中，补充了一些知识内容，弥补这些不足。
一、电压比较器简介电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
其功能是比较两个输入电压（或者说一个基准电压和一个待比较电压）的大小，并用输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压比较的结果：当“＋”输入端（同相输入端，下同）电压高于“－”输入端（反向输入端，下同）时，输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，输出为低电平。
电压比较器可以用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形的产生和变换等。
利用电压比较器可将正弦波变换为同频率的方波或矩形波。
电压比较器的输入是线性量，而输出是开关量（高电平或低电平）。
一般应用中，可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。
所有的运算放大器都可用作电压比较器，例如LM324、LM358、μA741、TL081、OP27等，这些都可以做成电压比较器。
LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合。
电压比较器有的使用单电源工作，如图1所示。
有的单电源和双电源都可以使用，图2所示使用的就是双电源。
我们经常使用的四电压比较器LM339，既可使用最大值36V的单电源，也可使用±18V的双电源。
电压比较器的输出端，有的自身可以输出高电平及低电平，例如输出级采用推挽式结构的；而有的电压比较器输出级是一只集电极开路的三极管，称作集电极开路输出，参见图3。
也有场效应管漏极开路输出型，与集电极开路输出型类似。
对于集电极开路输出和漏极开路输出的电压比较器，使用时要连接上拉电阻R，输出端才可能有高电平，如图4所示。
上拉电阻R一端连接在比较器的输出端，另一端则有两种选择：一是连接在芯片自身的电源端Vcc上，如图4a，二是连接至另一独立电源，如图4b中的Vcc2上。
电压比较器电路介绍及其应用
电压比较器电路介绍及其应用
零交比较器
零交比较器的功能是将输入信号与零电位进行比较，测定输入电压是大于零还是小于零，用输出电压是高或低电平给出判断的结果。
图5.4-63示出了零交比较器的电路。
图5.4-63的零交比较器，是同相端接地，反相端接输入信号，相对零电平进行比较。
对图5.4-63的零交比较器，又称为反相零交比较器，若将图5.4-63中输入信号加在同相端，使反相接地，就得到了同相零比较器。
实际上，由于运放输入失调电压和失调电流的影响，使输入信号U1在稍许偏离零的电压上发生切换。
如图5.4-62所示。
所以在实际应用中，使用调零电路对失调进行补偿，才能使信号在0V时比较器切换。
调零电路吸能在一定温度下，对失调进行补偿。
对由于温漂引起的失调还会使切换点发生稍许偏移。
图5.4-64示出了有补偿失调的零交比较器和用零交比较器用作整形电路的波形图。
任意电平比较器
1、双端输入式电压比较器
图5.4-65为双端输入式比较器。
将基准电压UR加在运放的同相端，比较信号U4加在反相端。
实现电压比较。
当UR为零时，就成为零交比较器。
其工作原理与零交比较器相同，只是切换点电压不是0V而是基准电压UR的值。
当U1大于UM时，比较器输出作出0的响应。
2、单端输入式电压比较器。
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正向：普通二极管的特性
反向：稳压管工作在方向 击穿区
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限幅电路与过电保护电路
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限幅电路与过电保护电路
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二、任意电平比较器
❖ 1.非过零比较器
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二、任意电平比较器
❖ 2．求和型任意电平比较器
R1
Vi
R2
VR
-
+ R1//R2
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阈值电压：
R R Vo V V V Z
i
V
V1
0
R
R V
R1 R1 R2
VR
2 R2 R1 R2
Vi
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o
u0
Uz
o
Uz
t
t
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三、滞回电平比较器
❖（也称“施密特触发器 ”、“滞回 电平比较器”、“迟滞电平比较器” 等）
❖克服比较器的“振铃”现象，可采 用滞后比较器。
❖在比较器的同相端加入少量的正反
馈，即可构成滞后比较器。
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V
R1
i
V
R2
R
滞回电平比较器
-
R4
二、任意电平比较器
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二、任意电平比较器
❖ 任意电平比较器当Vi达到比较电平时，立即 翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高，但 若被测信号叠加一定的干扰信号时，可能使 比较器产生振荡，造成误翻转，这就是所谓 电平比较器的“振铃”现象。
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“振铃”现象
ui
门限电平
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四、窗口比较器
假定参考电压VR1＞VR2 当出0通T当时均T电当出为截管电饱截V为，V，为平V1T为止平和i止＞R电1D饱iA0。<0，电，1导2电，1平电和VV截D＞、平二通平R输R，平导2止VA1，极2，导，出二，通i时2，＞时A管输通的晶V极A，，2晶，oD出V，2输输体管为同A输体1RAV晶出出管导1D211样o出管输输体1为为 0输电出平V。o为0电平。
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3.4.1概述
❖比较器的技术指标主要有：分辨率 的高低、比较速度的快慢、输入电 压范围的宽窄，以及逻辑电平兼容 性的强弱。
❖一个性能优良的比较器应具有高的 分辨率、快的比较速度、宽的输入 电压范围和强的逻辑兼容性。
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3.4.2比较器的应用
❖一、差动电压比较器
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差动电压比较器
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差动型电压比较器
❖ 阈值电压（又称门槛电平）是使比较器 输出电压发生跳变时的输入电压值，简 称阈值
❖ 传输特性是比较器的输出电压与输入电 压在平面直角坐标系上的关系
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限幅电路与过电保护电路
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稳压二级管（齐纳二极管）
❖比较器的输入量是模拟量，输出量 是数字量，所以它兼有模拟电路和 数字电路的某些属性，是模拟电路 和数字电路之间联系的桥梁，是重 要的接口电路。
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模拟量
数字量
3
3.4.1概述
❖ 普通运放有时也能作比较器，只要它的输出 电平被钳位在要求的逻辑电平即可。但运放 电路在设计时，重点考虑的是输出与输入之 间的线性放大特性以及稳定性（包括频率补 偿）等重要指标，而运放的响应时间一般较 长。
❖ 为解决响应时间和电平匹配问题，电压比较 器被设计成专用的电路，并出现了各种集成 电压比较器。
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4
理想集成运放
运放有两个工作区：线性工作区和 非线性工作区。 （1）运算电路使用的是运放的线性
区。 （2）电压比较器使用的是运放的非
线性区。 如果输入信号太大，使得集成
运放超过了线性放大的范围，则运 放的输出电压就不再随着输入电压 线性增长，此时运放达到饱和，集 成运放的传输特性如图
3.4电压比较器与应用
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1
3.4.1 概述
❖ 模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟 输入电压相对大小的器件。这两个模拟输入 电压，可以一个是模拟输入信号，另一个是 参考电压，也可以两个都是模拟输入电压。
❖ 比较器的输出反映两个输入量之间相对大小 的关系。
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2
概述
V
o
+ R3
VZ 反相输入
V
R1
R
V R2 i
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-
R4
V
o
+ R3
VZ 同相输入
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反相滞回电平比较器
当 vi足够低时，vo为高电平，VOH=+VZ
❖ V正 向 过R2程R3 R3 VR
R2
R2
R3
VOH
R3VR R2VOH R2vi R3
v V i
当
R1
i
从足够低逐渐上升到阈值时VTH1V=o
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u0 U OH
u u U OL
5
3.4.1概述
❖ 电压比较器电路包括差动输入级、高增 益放大级和逻辑电平输出级三部分。差 动输入级保证比较器具有与运放可比拟 的输入参数，即低的Vos、Ios和宽的共 模输入电压范围等。高增益放大级保证 比较器有高的分辨率和转换速率。逻辑 电平输出级保证比较器可直接与各类数 字逻辑电路相接口。
-
R4
V
+VZ
V+
o
V
R2
R
+ R3
VZ
-VZ
Vi
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反相滞回电平比较器
v 当❖ V负i向足过R够程2R高3 R时3 V，Rv
o为低电平VOL=-VZ
R2 R2 R3
(VZ )
R3VR R2
R2VZ R3
从 V+
Hale Waihona Puke vi足够高逐渐下降使由跳变为的阈值Vo为VTH2=
V
R1
i
-
R4
V
+VZ
o
V
R2
R
+ R3
VZ
-VZ
Vi
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Vi R1 VR R2
-
R4
Vo
+ R3
V Z
R1=10K，R2=15K，R3=30K，R4=3K，VR=0V， VZ=6V，根据式（3-25）和式（3-26）计算 VTH1=2V, VTH2 = -2V。
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25
V
R1
R
V R2 i
-
R4
V
o
+ R3
VZ
VTH1
(1
R2 R3
)VR
R2 R3
VOL
VTH2
(1
R2 R3
)VR
R2 R3
VOH
❖ 两个阈值的差值称为回差：
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VTH VTH1 VTH2
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滞回电压比较器
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滞回电平比较器
❖滞后电平可用R2调节，只要ΔV选择 合适，就可消除上述“振铃”现象， 从而大大提高抗干扰能力。但滞后 电平ΔV的存在，会使检测灵敏度变 差，所以ΔV不宜取得过大，通常 R2<< R3。
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四、窗口比较器
❖窗口比较器的功能是判断输入 信号电平是否在某一范围之内。
❖由两个任意电平比较器适当组 合而构成。
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图3-43 窗口电压比较器及传输特性
（a）窗口电压比较器
D1、D2作用是防止
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(b)传输特性
电阻为限流和电平匹配设置。