电压比较器
当运算放大器处于开环或正反馈时，会工作在非线性状态，电压比较器就是运算工作在非线性放大状态的典型应用代表。
运算放大器比较器将一个模拟电压电平与另一个模拟电压电平或某个预设参考电压VREF进行比较，并根据该电压比较产生输出信号。换句话说，运算放大器电压比较器比较两个电压输入的大小，并确定两者中较大的一个。
工作在非线性状态的运放的特点：
假设同相输入端电压为u+，反相输入端电压为u-，输出端电压为uo，即
当u+ > u-时，uo = +u（高电平） 当u+ < u-时，uo = -u（低电平）
电压比较器的分类
电压比较器根据是否接正反馈可以分为单门限电压比较器和双门限电压比较器。
单门限电压比较器
单门限电压比较器：运放不接正反馈，处于开环状态
单门限电压比较器
图中VREF为门限电压（基准电压），由电阻R1和R2构成的分压网络提供，通过两输入端电压的比较，集成运算放大器将输入信号转换成方波信号，参考电压VREF大小不同，输出的方波信号Uo的宽度就会发生变化。
VREF = R2/(R1+R2)
运算放大器单门限比较器仿真电路
双门限电压比较器
双门限电压比较器：运放接有正反馈电路
双门限运算放大电路比较器
双门限电压比较器的“ +”端电压由同相输入端电压V和输出电压Uo共同来决 定，而Uo有高电平和低电平两种可能，因此“ +”端电压VREF也有两种：当Uo为高电平时，电压VREF被Uo抬高；当 Uo为低电平时，电压VREF被Uo拉低。
正相电压比较器
将上面的比较器(反相)的输入电压和参考电压的输入端调换，就可以构成与之相反的电压比较器。
窗口比较器
窗口比较器常用两个比较器组成。窗口比较器检测特定频带或电压窗口(范围)内的输入电压电平，而不是指示电压是大于还是小于某个预设或固定电压参考点。
窗口比较器不再只有一个参考电压值，而是具有由一对电压比较器实现的两个参考电压。一种是在检测到某个电压阈值上限V REF(UPPER)时触发运算放大器比较器，另一种是在检测到电压阈值下限V REF(LOWER)时触发运算放大器比较器。那么这两个上下参考电压之间的电压电平就称为“窗口”，因此得名。
两个阈值电压 VTHH（高阈值电压）及 VTHL（低阈值电压），与 VTHH及 VTHL 比较的电压 VA 输入两个比较器。若 VTHL≤VA≤VTHH，Vout 输出高电平；若VA＜VTHL，VA＞VTHH，则 Vout输出低电平。
使用我们上面的分压器网络的理论，如果使用三个等值电阻器使得R1 = R2 = R3 = R，那么就可以创建一个非常简单的窗口比较器电路，如图所示。此外，由于电阻值都相等，因此每个电阻两端的电压降也将等于电源电压的三分之一，即1/3Vcc。因此，为了简化这个简单的窗口比较器示例，我们可以将参考电压上限设置为2/3Vcc，将参考电压下限设置为1/3Vcc。
窗口比较器运算电路
运算放大器比较器计算案例
运算放大器正反馈比较电路(双门限比较器)一起使用产生的施密特触发器电路。假设电阻R 1 = 10kΩ和电阻R 2 = 90kΩ ，运算放大器连接到双±10v电源，参考电压的上下切换点的值和滞后宽度是多少？
反馈系数
β = R1/(R1+Rf) = 10K/(10K + 90K) = 0.1
上电压跳变点，VUTP
VUTP = β(+VCC) = 0.1 * (+10) = +1.0V
较低的电压跳变点，VLTP
VUTP = β(-VCC) = 0.1 * (-10) = -1.0V
滞后宽度V(HYS)：
V(HYS) = VUTP - VLTP V(HYS) = +βVCC - (-βVCC) = 1.0V - （-1.0V） = 2.0V 所以滞后宽度VHYS = 2βVCC = 2*0.1*10 = 2.0V
从这个例子可以看出，通过调整反馈电阻器R1和Rf的分压比，可以使这个滞后的宽度（总共 2 伏特）变大或变小。
电压运算放大器比较器
虽然我们可以使用 741 等运算放大器作为基本比较器电路，但问题在于运算放大器仅针对线性操作进行了优化。这是输入端子几乎处于相同电压电平的地方，其输出级设计用于产生长时间不饱和的线性输出电压。标准运算放大器也设计用于闭环应用，从其输出到反相输入有负反馈。
另一方面，专用电压比较器是一种非线性设备，当输入信号相差相对较小时，由于其增益非常高，因此允许严重饱和。运算放大器比较器和电压比较器之间的区别在于输出级，因为标准运算放大器具有针对线性操作优化的输出级，而电压比较器的输出级针对连续饱和操作进行了优化，因为它始终旨在靠近一个电源轨或另一个电源轨，而不是在两者之间。
LM311 单路比较器、LM339 四路比较器或 LM393 双路差分比较器等商用比较器是采用标准 IC 封装的电压比较器，采用单电源或双电源供电。这些专用电压比较器的唯一目的是将输出从一种饱和状态快速切换到另一种饱和状态，因为用于电压比较器输出级的晶体管通常是开关晶体管。
由于电压比较器将线性输入信号转换为数字输出信号，因此它们通常用于连接两个具有不同电源或参考电压的不同电信号。因此，电压比较器的输出级通常配置为具有打开或关闭状态的单个集电极开路（或漏极）晶体管开关，而不是如图所示的实际输出电压。
电压运算放大器比较电路
图中，电压比较器的集电极开路输出通过一个上拉电阻（和一个用于指示的 LED灯）连接到电源，该电阻将输出拉高至电源。当输出开关为高电平时，它会创建一个高阻抗路径，因此当VOUT= Vcc时没有电流流动。
当比较器改变状态并且输出开关为低电平时，它会创建一个低阻抗接地路径，电流流过上拉电阻（和 LED灯），导致其自身产生电压降，输出被拉至较低的电源电平，图中的这种情况下接地。
然后我们可以看到运算放大器比较器和电压比较器的原理图符号或它们的内部电路之间的差异很小。主要区别在于具有开路集电极或漏极配置的输出级可用于驱动继电器、灯等。通过从输出驱动晶体管，可实现比单独的比较器输出更大的开关电流容量。
运算放大器比较器总结
在这篇关于运算放大器比较器的教程中，我们已经看到比较器电路基本上是一个没有反馈的运算放大器，也就是说，运算放大器用于其开环配置，当输入电压V IN超过预设参考电压，V REF，输出改变状态。
由于运算放大器的开环增益非常高，使用正反馈或什至完全没有反馈会导致输出饱和到其电源轨，从而根据其两个相对值产生两个不同的输出电压之一输入。这种双稳态行为是非线性的，构成了运算放大器比较器和施密特触发器电路的基础。
专用比较器（如单个 LM311、双 LM393 或四通道 LM339）的输出级设计为在其饱和区运行，从而使这些电压比较器电路广泛用于模数转换器应用和各种类型的电压电平检测电路。
通过在比较器的输出和输入之间添加正反馈，可以轻松克服开环比较器的不稳定开关行为。对于正反馈，电路具有滞后现象，输出切换发生在两个不同的切换点UTP和LTP之间。
运算放大器窗口比较器是一种电压比较器电路，它使用两个运算放大器比较器产生双态输出，通过使用两个参考电压指示输入电压是否在特定范围或值窗口内。上参考电压和下参考电压。
虽然运算放大器和比较器可能看起来很相似，但它们非常不同，并且设计用于不同的应用，因为运算放大器可以用作比较器，电压比较器不能用作运算放大器，因为它的非线性输出级。
