电压比较器（通常简称比较器）是一种常见的集成电路，其广泛应用于报警系统、自动控制、电压监测、测量技术等领域。它还常常用于频率/电压转换电路、模数转换器、高速采样系统、压控振荡器电路等方面。本文将探讨电压比较器的基本定义、工作原理及常见应用，并介绍几种典型的电压比较器电路。
电压比较器的基本概念
电压比较器是一种用来比较两个模拟信号电压的电子组件，其工作原理是判断输入的两个电压值大小，并输出一个对应的高或低电平信号。它主要由两个输入端口和一个输出端口构成：一个同相输入端（“+”端），一个反相输入端（“-”端），以及输出端（Vout）。比较器需要外接电源供电，一般为单电源或双电源。
举个例子，假设输入电压VA接入同相端，VB接入反相端。当VA和VB的电压变化如图所示，在0到t1时间段内VA大于VB；接着在t1到t2期间，VB则大于VA；最后在t2到t3时，VA又超过了VB。在这种情况下，比较器的输出Vout将根据VA和VB的关系产生不同的电平。当VA大于VB时，Vout输出高电平；而当VB大于VA时，Vout输出低电平。通过对输出电平的监测，可以确定哪个输入电压更大。
如果我们调换输入信号，将VA接到反相端，VB接到同相端，电压的变化依然如上图所示，此时输出电平的变化会与原来有所不同，即输出电平的极性会反转。这表明，电压比较器的输出不仅取决于输入电压的大小，还与输入端的极性有关。
在双电源（正负电源）供电情况下，比较器的工作原理与上述类似，只是其输出电平会有所不同。例如，当VA和VB的关系改变时，比较器的输出可能会为负电压，而不是单纯的高或低电平信号。
电压比较器的工作原理
电压比较器起源于运算放大器（运放）。实际上，电压比较器可以视为一种特殊应用的差分放大器。由于电压比较器的应用非常广泛，为了提高工作效率和性能，市面上已经推出了许多专门设计的比较器集成电路。
我们可以通过以下差分放大器电路来理解比较器的工作原理：输入电压VA经过分压器R2、R3后接入同相端，VB通过输入电阻R1接入反相端，电路中的反馈电阻为RF。在理想情况下，假设没有输入失调电压，输出电压Vout与输入电压VA、VB及四个电阻的值之间存在特定关系。
当反馈电阻RF与输入电阻R1的比例达到一定条件时，电路的增益就变得非常高，甚至接近无穷大。在这种情况下，运算放大器工作在开环状态，此时的电路就变成了一个典型的比较器电路。实际上，当运放处于开环状态时，增益并非真正的无穷大，而是接近于一个饱和输出电压，它会受到电源电压的限制。
通过对比，电压比较器的核心原理就是利用差分放大器的特性，使得输入电压一旦超出某一特定阈值时，输出就会发生变化，从而达到比较的效果。
比较器与运算放大器的区别
尽管电压比较器和运算放大器在内部结构上有很多相似之处，但两者在性能和应用上有明显的区别。比较器的开环增益通常高于运算放大器，因此它能够在短时间内响应输入电压的变化，提供更快速的输出切换。比较器的输入失调电压较小，具有更宽的共模输入电压范围，从而能够适应不同的工作环境。
运算放大器和比较器的另一个重要区别在于输出结构。比较器通常采用集电极开路输出，这使得外部电路能够灵活地通过上拉电阻或直接连接不同电压的负载来控制输出电平。而运算放大器则通常采用带反馈的输出结构，输出级更稳定。
比较器在设计时还需要考虑其他技术指标，比如响应速度、精度、传播延迟时间等，这些指标直接影响其应用性能。对于一些要求较低的应用场合，可以使用通用的运算放大器代替比较器。但在一些需要高精度和高速响应的场合，如A/D转换器电路中，仍然需要使用专门的高性能比较器。
电压比较器的典型应用
电压比较器有着广泛的应用领域，下面我们介绍两种典型的应用电路。
散热风扇自动控制电路
在许多大功率电子器件或模块中，当其工作时会产生大量热量，温度上升可能会导致器件损坏。为了防止这一问题，通常会用散热风扇进行降温。以下是一个简单的散热风扇自动控制电路。
在这个电路中，负温度系数（NTC）热敏电阻RT粘贴在散热片上，通过监测散热片的温度来控制风扇的启停。RT的电阻与温度之间的关系是单值的，即温度一旦设定，电阻值也是固定的。我们设定在某一温度值（如80℃）时，风扇需要启动，这时电压比较器就会通过对热敏电阻的电压监测，当温度超过80℃时，比较器输出低电平信号，驱动继电器闭合，风扇开始运转，降低器件温度。
窗口比较器电路
窗口比较器是一种包含两个比较器的电路，其作用是对输入电压进行范围比较。如果输入电压处于预定的范围内，比较器输出高电平；如果输入电压低于或高于该范围，输出则为低电平。常见应用之一是冰箱温度报警系统。假设冰箱的正常工作温度范围是0℃到5℃，当温度处于这个范围时，比较器输出高电平，表示温度正常；而如果温度超出该范围，比较器输出低电平，触警系统。
在此电路中，NTC热敏电阻RT的电阻随温度变化，电路通过调节电阻值来设定阈值温度。窗口比较器通过两个设定的阈值电压来判断温度是否正常，并在超出范围时发出报警信号。
通过这两种典型电路，可以看到电压比较器在实际应用中发挥着至关重要的作用，其功能不仅限于简单的电压比较，更能满足复杂控制系统的需求。