在前两章学习了运算放大器的原理、运算和特性。运算放大器的应用范围非常宽广很难在一章或一本书内将这些应用都一一覆盖。因此，本章将通过一些基本的应用来阐述运算放大器的应用多样性，并且帮你建立基本运算放大器电路的基础。
运算放大器经常用作非线性器件来比较两个电压的幅值。在这种应用中，运算放大器用作开环配置，输人的一.端是输入电压，输人的另一端是参考电压。
学完本节后，你应该掌握以下内容:
- 理解几类基本比较器电路的工作原理
- 描述过零检测器的工作原理
- 描述非过零检测器的工作原理
- 讨论输人噪声是如何影响比较运算的
- 定义滞回
- 解释滯回是如何降低噪声影响的
- 描述施密特触发电路
- 描述限幅比较器的工作原理
- 描述窗口比较器的工作原理
- 讨论比较器在包含模数转换器的系统中的应用
8.1.1 过零检测
运算放大器的一个应用是用作比较器，用来判断输人电压是否超过某个值。图8-1a给出了一个过零检测器。注意，反相(-)输入端接地产生零电平，输人信号电压接到同相(+)输人端。由于很高的开环电压增益，两个输人端之间非常小的电压差使得放大器饱和，从而使得输出电压达到它的极限。
打开配套网站上的文件F08-01。这个仿真演示过零检测器的工作原理。
例如，一个运算放大器的 $A_{ol}= 100 000$。输入端仅 0.25mV 的电压差能够产生 $0.25mV\times 100 000=25V$ 的输出电压，前提是这个输出电压没有超过运算放大器的输出上限。然而，因为绝大多数运算放大器的输出电压的范围在 $\pm 15V$ 甚至更小，所以超过这个极限器件将达到饱和。在许多需要比较的应用场合，常选择专门的运放比较器。为了达到最高的速度，这些集成电路通常未做补偿。在一些不太严格的应用中，一个通用运算放大器就可以很好地用作比较器了。
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图8-1~~~运算放大器用作过零检测器
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图8-1b展示了正弦波输入电压接入过零检测器的同相端。如图8-1b所示，当正弦波为负时，输出电压在最大负电平处。当正弦波跨过 0 时，放大器变为相反状态，输出变为最大正电平值。过零检测器可以用于从正弦波产生方波的方波产生电路。
8.1.2 非过零检测
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图8-2~~~非过零检测器
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通过在反相端(一)接入一个固定的参考电压，图8-1所示的过零检测器经过改进后可以用于检测正、负电压，如图8-2a所示。一个更为实际的接法如图8-2b所示，使用分压器来设置参考电压: $$ V_{REF}=\frac{R_2}{R_1+R_2}(+V)~~~(8-1) $$ 式中，$＋V$ 是运算放大器电源的正极。图8-2c中的电路使用齐纳二极管来设置参考电压( $V_{REF} = V_Z$)。只要输人电压 $V_{in}$小于$V_{REF}$，输出就保持在最大负电平。当输入电压超过参考电压时，输出变为最大正值，图8-2d是正弦波输入电压时的示意图。
8.1.3 输入噪声对比较器工作的影响
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图8-5~~~叠加噪声的正弦波
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在许多应用中，噪声(不期望的起伏不定的电压或电流)可能会出现在输人引线上。噪声电压叠加到输人电压上，如图8-5所示，会使比较器的输出状态无规律地来回切换变化。
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图8-6~~~噪声对比较器电路的影响
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为了理解噪声电压的潜在影响，考虑将一个低频正弦电压连接到运放比较器的同相输入端(＋)作为过零检测器，如图8-6a所示。图8-6b给出了叠加噪声的输入正弦波和对应的输出。你可以看到，当正弦波接近0时，由于噪声引起的电压起伏使得总输入多次大于或小于0，因此会产生不稳定的输出电压。
8.1.4 用滞回减小噪声影响
在输人端有噪声的情况下，比较器的开关输出会在正电平和负电平之间产生不稳定的跳变，这是因为输入端引起正负变化的参考电压值是同一个值。当输入电压在参考电压值附近变化时，输入端任何很小的噪声都会使得比较器不停地改变工作状态，这种不稳定的情况就会发生。
为了使得比较器对噪声不那么敏感，可以使用一种包含正反馈的技术，称为滞回。本质上，滞回意味着当输入电压从较低向较高变化时的参考电压要高于当输入电压从较高向较低变化时的参考电压。常见的家用恒温调节器是滞回的一个范例，在一个温度上打开，在另一个温度上关闭。
两个参考电压称为上触发点( upper trigger point，UTP)和下触发点(lower trigger point，LTP)。两电平的滞回是通过正反馈实现的，如图8-7所示。注意，同相(＋)输入端连接到电阻分压器，使得输出电压的一部分反馈到输入端，输入信号连接到反相(一)输入端。
具有滞回功能比较器的基本工作原理如下所述，并在图8-8中说明。假设输出电压达到它的正最大值 $＋V_{out(max)}$，反馈到同相输入端的电压是 $V_{UTP}$，可以表示为
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V_{UTP}=\frac{R_2}{R_1+R_2}(+V_{out(max)})
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当输入电压 $V_{in}$ 超出 $V_{UTP}$，输出电压就跳变到负的最大值 $一V_{out(max)}$。此时反馈到同相输入端的是 $V_{LTP}$，可以表示为
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V_{LTP}=\frac{R_2}{R_1+R_2}(-V_{out(max)})
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图8-8~~~滞回比较器的工作原理
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现在，输人电压必须低于 $V_{LTP}$ 才能使得比较器的输出切换到另一个电压值，这就意味着小的噪声电压对输出不会造成影响，如图8-8所示。
滞回比较器有时也称为施密特触发器(Schmitt trigger)。滞回的值定义为两个触发电平间的差。
8.1.5 输出限幅
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图8-10~~~有输出限幅的比较器
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在一些应用中，必须将比较器的输出电压限制在小于运算放大器饱和电压值的范围内。如图8-10所示，齐纳二极管可以在一个方向上将输出电压限制在稳压电压上，在另一个方向上是二极管的正向压降。这个限制输出范围的过程称为限幅。
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图8-11~~~限幅比较器的工作原理
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工作原理如下所述:因为齐纳二极管的正极连接到反相(一)输入端，所以当它导通时为虚地($\approx 0V$ )。因此，输出电压的正电压就等于齐纳管的稳压值，输出电压被限制在这个值了，如图8-11所示。当输出开关值为负值时，齐纳二极管像普通二极管那样工作，有 0.7V 的正向偏置电压，所以把负输出电压限制在了 $一0.7V$。改变齐纳二极管的连接方向可以在相反方向上把输出电压限制在这些值的附近。
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图8-12~~~双限幅比较器
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两个齐纳二极管的限幅比较器如图8-12所示，正负输出电压都被限制在齐纳稳压值加上正向偏置电压(0.7V)上，如图8-12所示。
8.1.6 窗口比较器
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图8-15~~~基本的窗口比较器
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图8-16~~~窗口比较器工作原理的例子
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将两个单独的运算放大比较器按照图8-15所示的方式连接形成窗口比较器( windowcomparator)，它可以检测出输人电压在上下两个限幅值之间(称为“窗口”)的变化。
上、下限 $V_U$ 和 $V_L$ 是由参考电压设置的。这些电压可以通过分压器、齐纳二极管或任何类型的电压源设置。只要 $V_{in}$ 在窗口之内(小于 $V_U$ 并且大于 $V_L$ )，每个比较器的输出就处于它的低饱和水平。在这种条件下，两个二极管都反向偏置，并且通过电阻接地 $V_{out}$ 保持在0。当 $V_{in}$ 大于 $V_U$ 或低于 $V_L$ 时，这两个比较器的输出达到它的高饱和状态，二极管处于正向偏置，输出为高电平 $V_{out}$。图8-16表示了 $V_{in}$。任意变化时的情况。