#技术干货##技术干货##技术干货##技术干货##技术干货# 比较器电路是硬件设计里很常用的一种电路，它的功能是比较两个输入端电压的大小，并且根据比较结果输出高电平或者低电平。在电压检测、过压/欠压保护、波形整形、频率测量等场景下比较器电路使用非常广泛。

在多数场景下，使用比较器需要加入一定的迟滞；如果没有迟滞，当输入信号接近比较阈值时，在噪声的作用下比较器的输出会多次翻转，导致后级电路误判；下图中绿色三角波为输入，红色方波为输出；在三角波越过比较阈值2.5V时，比较器的输出多次连续反转；如果比较器后级为MCU，很可能导致MCU连续多次误动作；

而引入迟滞电压后，输出波形明显改善，不再有连续翻转；

因为有不同的使用需求，比较器的种类也很丰富。有需要外部电阻电路的比较器，也有集成度更高不需要外围电阻的比较器。在绝大多数场景下，专用比较器价格更便宜，而且参数更优秀；只有在特定的场景下，比如系统里有多余运放，同时对速度要求又比较低的情况下，才适合用运放搭一个比较器电路，降低硬件BOM成本。

常见的比较器芯片比如LM393（安森美出品）需要用到一个运放和几个外围电阻；配合电源电压，合理设定电阻的阻值大小就能搭建一个有迟滞效应的比较器。下面介绍一下使用电阻+比较器芯片搭建迟滞比较器的原理和参数计算方法。

原理解析

迟滞比较实际上就是基于正反馈做的一个闭环结构，通过在输出端与同相输入端之间引入电阻分压网络，使比较器的输出值不仅与当前输入值有关，而且与当前时刻的输出值有关；典型的反向迟滞比较器电路结构如下。

图中所选的比较器输出极为开漏输出，需要外接上拉电阻R1才能输出高电平。很多比较器都是这种输出，它的好处在于可以灵活控制输出的高电平大小；对于多数MCU可以将输出上拉的电压设定为3.3V，与MCU供电电源保持一致，方便MCU接收；对于特定电路，可以设定上拉电压与比较器供电电压不同，比如设定为5V或者更高，以符合后级电路的输入幅度要求。

图 1 原理图

待比较信号从比较器反向端输入，比较阈值结合上拉电压VCC及外围电阻值进行设定。输出特性曲线如下图所示：

图2 输出特性曲线

对于输入信号而言，电路中存在两个比较电平，VL与VH。当输入信号高于VH时，输出电平肯定会变成0；当输入低于VL时，输出肯定会变成1；（因为信号输入到比较器的反向端，所以输出逻辑和输入信号的变化趋势是相反的）。而当输入信号处于VH与VL中间时，就要依靠当前输出电平状态来判断变化曲线。如果此时输出为1，那么输入必须继续上升，直到超过电平VH时才能使输出为0，否则输出仍然保持为1；如果此时输出为0，那么输入必须继续下降，直到低于VL时才能使输出为1，否则输出仍然保持0；

之所以出现这个曲线的原因在于，不同的输出状态会影响VTH处的电压值；导致输入信号所面对的比较值不同。当比较器输出为1（高电平）时，电阻R1+R3等效于与电阻R2并联的状态，此时VTH节点电压对应于图2中的VH，也就是我们目标设计参数中的2.7V。

图3 输出高电平时等效电路

而当比较器输出为0（低电平）时，电阻R4与电阻R3成并联关系，此时VTH节点电压对应于图2中的VL，也就是我们目标设计参数中的2.4V。

图4 输出低电平时等效电路

能做图3、图4等效的原因在于，比较器的输出是开漏输出。下图是LM393的结构框图，当比较器输出高电平的时候Q16处于关断状态；而比较器输出低时Q16导通，导致输出output直接接地。

参数计算

接下来就需要根据参数需求，来设定外围电阻值。为了计算方便我们可以举一个有具体数值的例子，来看一下如何根据参数计算电阻值。假设供电电源为5V，要求设计VH电平为2.7V，VL电平为2.4V，也就是中间迟滞电平为300mV。

为了保证输出电平的驱动能力，一般选定R1的阻值比较小；我们选定R1的阻值为4.7KΩ；同时为了尽量减少静态电流降低功耗，选择R4电阻为100KΩ。接下来就要根据这两个电阻参数计算剩下的R2、R3阻值。

根据电阻串并联分压的计算方法，两个阈值电压计算公式如下：

因为R1与R4已经选定，Vcc、VH、VL这些参数已经明确，计算R2与R3就是解这个二元一次的方程组。由于电阻之间存在串并联关系，这个方程求解过程比较复杂，在实际计算时并不实用，所以有必要根据实际情况做一点简化。

图3 输出高电平时等效电路

如果我们重新观察图3的结构就会发现，对于开漏输出的比较器而言，R1的阻值相较于R2、R3、R4必须是个很小的值，这样当比较器输出电平为高时才能使输出节点Output的电压尽可能接近Vcc；对于MCU应用来说更容易被MCU管脚检测到高电平。这样在实际应用时可以忽略在VH、VL计算公式中的影响；根据这个实际应用需求，在计算过程中忽略R1的影响，可以得到R2、R3的表达式为：

带入计算公式，就可以得到R2≈95.83KΩ；R3≈766.66KΩ。选取最接近的1%标准电阻值，R2 = 95.3KΩ，R3= 768KΩ，R1取R3的1/100大小，为7.68KΩ；

仿真验证

接下来我们使用LTspice进行仿真，验证参数设置是否正确。仿真中使用了MAX9095做比较器，这个比较器也是一个开漏输出；使用5V供电，输入一个5V正弦波进行比较；可以看到标线处，VL≈2.4V，VH≈2.7V；


输入输出电压扫描特性如下


我还设计了一个简易的电阻计算程序，输入供电电压，下拉电阻阻值，VH、VL电压就可以计算出剩余电阻取值，并且推荐最为接近的1%精度标准电阻值，非常简单。把刚才的设计参数VH、VL和电源电压都标注进去，就能够获得标准外围阻值；

需要的朋友可以留言索取。关于这个小程序开发还踩了很多坑，里面的代码都是AI辅助编写的，其中有很多需要注意的事项，之后有时间我再写文章发出来。

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