錯誤的窗口電壓比較器

【資料圖】

窗口電壓比較器是一種比較好玩兒有趣兒的電路。窗口電壓比較器還有一個名字叫做雙限比較器。電路結構中會有兩個電壓門檻值?？梢?u>檢測某個電壓是不是在這兩個門檻值內。比如，上限門檻值是10V，下限門檻值為3V,則當被檢測電壓為大于3V小于10V的任意一個電壓時，電路會有反應。其他的電壓值則不會有反應。這種電路可以用來分辨一些特定信號，也可以判定電源類的電壓是否在規定范圍內。應用范圍還是可以的。

有很多自學電路的朋友少不了會到網上尋找一些小的電路來學習或者是自制。但是網上真的是良莠不齊。就像我前幾天看到的這么一個電路，也就是文章開頭這個電路了。稍微分析了一下，發現電路上有比較大的缺陷，或者是直接就是錯誤的，是對新手們的不負責。所以以后我也會選擇一些錯誤的電路來進行分析，(公眾號：電路一點通)希望可以對大家有一定的幫助。

現在我們來單純的分析下這個電路所能實現的功能，首先呢，交代一下電路中各個元器件的作用。LM324是集成四運放電路。在這個電路中有些浪費，不知道怎么回事，很多電路設計人員都喜歡用324的一半，另外一半閑著。R1、R2、R3組成一個兩分壓電路，為LM324提供了兩個基準門檻值，圖中提供的參數是上限3V，下限2V。R4是Q1三極管的基極限流電阻。Q1可以用9013的NPN三極管。D1是發光二極管，可代換元件是很多的。R5是發光管的限流電阻。

好了，元器件作用交代完畢，接下來就是根據電路結構來分析電路作用了。在這個電路中，我們假設當前被檢測電壓為0V，則A1運放正相輸入端大于反相輸入端，此時，A1運放會輸出高電平。而A2運放也是正端大于負端，運放同樣會輸出高電平。兩個運放輸出的高電平都通過R4限流電阻送至Q1，這時，D1會亮起。也就是被測電壓同時小于上下限時，LED是會亮起的。

當被測電壓居于2V于3V之間，我們假設目前電壓為2.5V。則A1運放的正端還是大于負端，則A1運放不改變輸出狀態，還是輸出高電平狀態。而A2運放，由于負端大于正端，則運放開始輸出低電平。按照作者的原有意圖，A2運放的低電平會與A1運放的高電平相抵消，使得LED熄滅。也就是說，當被測電壓大于2V小于3V時，LED會熄滅。

當被測電壓繼續增高，超過上限3V的門檻值后，A1運放會輸出低電平，A2運放也會輸出低電平，反應到LED的狀態上就是不亮。也就是說，電壓大于上限3V后，LED是熄滅的。

根據以上的分析可以看到，整個電路根本無法做到窗口電壓比較器的作用。而且，圖中所用的元器件是通用雙運放。這種通用雙運放是雙極性輸出的。也就是器件本身是可以輸出高電平的。下面附上一個LM324內部框圖來稍微分析下。

LM324等效內部框圖

可以看到，這種電路其輸出端是一種半橋結構。可以通過驅動Q6導通來輸出一個高電平，或者是驅動Q13導通來輸出一個低電平。那么，此時再結合第一個電路圖來分析下就會發現，如果A1運放輸出高電平，A2運放輸出低電平，則電源電壓會直接通過Q6---Rcs---Q13到達GND。那么這樣就會造成LM324出現短路的情況。所以，這個電路不僅結構是錯誤的，器件選用也是錯誤的。如果新手照著這個電路來學習和自制會對新手造成很大的傷害。新手會對自己的所學產生懷疑，也會打擊新手自學的動力，這是非常不好的。

下面呢，我給出這種電路的正確的電路圖并稍加分析。

第一個是采用LM339集成電壓比較器設計的窗口電壓比較器。

LM339窗口電壓比較器

大家看到有什么不同嗎？不同的地方在于兩個運放的信號輸入引腳是不同的。在第一個圖中，兩個運放的正端都是接的基準，負端都是接的被測信號，造成輸出邏輯都是相同的。在這個圖中，首先說明的一點是上限運放是下面這個，而下限運放則是上面那個。下限運放的正端接的被測信號，負端則是基準。而上限運放正端接基準，負端接被測信號。則電路會有這樣的一個工作狀態：當被測電壓小于上下限門檻值，則下限運放也就是上面那個運放會輸出低電平，而下面這個運放暫時是不工作的，雖然正端是大于負端的，至于為什么不工作接下來的LM339內部框圖構造會告訴你。那么此時，因為有了上面運放的下拉，導致輸出端是一個低電平。也就是說如果被測信號小于上下限則輸出為低電平。

當被測電壓大于下限小于上限，則下限運放會輸出高電平，而上限運放還是處于一個不工作的狀態。所以，此時的電路狀態是被測信號居中會輸出高電平。

當被測電壓進一步增大，超過上限，則下面這個運放會輸出低電平，那么此時電路會再次輸出低電平。

綜合來看，當被測電壓低于上下限門檻值的時候，輸出是低電平。當被測電壓符合要求的時候，電路輸出高電平。當被測電壓高于上限門檻值得時候，輸出再次變為低電平。完美有效的完成了雙電壓門限的檢測。

那么為什么電路結構只是改變了一下信號輸入端就會變成正確的呢？僅僅是這樣嗎？不是的。另外一個原因就是LM339的輸出結構與通用運放是不同的。下面上框圖：

LM339集成四電壓比較器

可以看到，LM339是單極性輸出，也就是只能輸出一種電平信號。在這里是只能輸出低電平信號。那么結合上面的LM339的窗口電路可以看到，電路是無法輸出高電平的，所以即使正端大于負端，器件也是無法輸出高電平，自然不會出現器件內部短路的情況了，所以這個電路是正確的，唯一的一點可惜就是畫 的時候畫反了，上下限運放正好調了個位置，導致新手分分析起來稍微困難些。

上面這個是利用LM339四電壓比較器做的，也是有些浪費。下面上一個用通用運放做的窗口電壓比較器，器件采用LM358、LM4558均可。還是動圖哦，這個厲害了。

通用運放電路設計的窗口電壓比較器

可以看到，電路中增加了兩只隔離二極管，就是為了防止器件內部短路情況的發生。根據電路結構分析，A1是上限運放，A2是下限運放。方便我們的分析和學習。

當被測信號小于上下限的時候，A1應該輸出低電平，但是因為二極管的隔離，使得A1相當于不存在。而A2則會輸出高電平，也就是說被測信號低于上下限時電路輸出高電平。

當被測信號居中時，A1還是處于不存在的狀態。A2因為負端大于正端，導致A2也處于不存在的狀態，那么電路的輸出由電路中的R2決定，此時，電路會因為R2的下拉作用輸出一個低電平。

當被測信號電壓繼續提高，則A1會輸出高電平。A2會繼續不存在。所以電路會輸出一個高電平。

可以看到，這種結構的電路與上面那個結構的電路其輸出信號的方式整好是相反的。一種是電壓符合要求時輸出高電平，一種是電壓符合要求時輸出低電平。這就是由內部的輸出方式決定的。

可以看到，網上太多良莠不齊的東西會導致自學電子還是有一定難度的。所以，對于有些電路先根據工作流程走一遍，基本可以判定電路的正確與否。不要迷信所謂的電路設計，工作流程說的通，電路做出來可以用才是王道。