單片集成運算放大器價格便宜、用途廣泛且性能可靠。它們不僅可以用于線性電路，如電壓放大器、電流源和有源濾波器，而且可以用于非線性電路，如比較器、波形生成器和有源二極管電路。非線性運放電路的輸出通常與輸入信號的波形不同，這是因為運放在輸入周期的某個時間段內達到飽和。因此，必須分析兩種不同的工作模式以便了解整個周期的工作狀況。
19.1 過零比較器
在電路中，經常需要比較電壓的大小，此時，比較器是很好的選擇。比較器和運算放大器相似，有兩個輸入電壓(同相和反相)和一個輸出電壓。與線性運放電路不同的是，比較器只有兩個輸出狀態，即低電平和高電平。因此，比較器通常用于模擬和數字電路的接口。
19.1.1 基本概念
構造比較器最簡單的方法是直接連接運放而不使用反饋電阻。由于比較器具有很高的開環電壓增益，正的輸入電壓會產生正向飽和，而負的輸入電壓會產生負向飽和。
比較器稱為過零檢測器，因為理想情況下，輸出會在輸入電壓經過零點時從低轉換到高或從高轉換到低。過零檢測器的輸入-輸出響應。使輸出達到飽和的最小輸入電壓為：
如果Vt=14V, 則比較器輸出擺幅約為-14～+14V。如果開環電壓增益為100000,那么使電路飽和所需的輸入電壓為：
即當輸入電壓大于+0.14mV時，比較器將進入正向飽和；當輸入電壓小于-0.14mV時，則比較器進入負向飽和。
比較器的輸入電壓通常遠大于±0.14mV。所以輸出是兩態電壓，即+V或-Vat。通過觀察輸出電壓，便可以立刻知道輸入電壓是否大于零。
知識拓展 比較器的輸出可以認為是數字的，其輸出為高電平+或低電平- Vsat。
19.1.2 利薩如圖形
在示波器的橫軸和縱軸輸入諧波相關信號時，便會出現利薩如圖形。觀察電路輸入/輸出響應的一個簡便方法便是通過利薩如圖形，其中，將電路的輸入和輸出電壓作為兩個諧波相關的信號。
例如，741C的輸入-輸出響應，其電源電壓為±15V。 通道1(縱軸)的靈敏度為5V/ 格。可以看到，輸出電壓為-14V或者+14V, 取決于比較器處于負向飽和還是正向飽和。
通道2(橫軸)的靈敏度為10mV/ 格。在過渡區看起來幾乎是垂直的。說明微小的正向輸入電壓會產生正向飽和，微小的負向輸入電壓會產生負向飽和。
19.1.3 反相比較器
有時，需要使用帶有鉗位二極管的反相比較器。同相輸入端接地，輸入信號驅動比較器的反相輸入端。此時，微小的正向輸入電壓會使輸出達到負向最大值，反之，微小的負向輸入電壓會使輸出達到正向最大值。
19.1.4 二極管鉗位
前面的章節討論了二極管鉗位器對敏感電路的保護作用。帶有鉗位二極管的反相比較器是一個實際的例子。可以看到，兩個鉗位二極管保護比較器的輸入，避免電壓過大。例如，LF311是一個集成比較器，其最大輸入電壓范圍是±15V。如果輸入電壓超過了這個限度，LF311就會損壞 。
有些比較器的最大輸入電壓范圍只有±5V, 而有些比較器可能高達±30V。無論哪種情況，都可以使用鉗位二極管以防止比較器被大輸入電壓損壞，當輸入電壓幅度小于0.7V時，這些二極管對電路的工作沒有影響。當輸入電壓幅度大于0.7V時，其中一個二極管就會導通并將反相輸入端電位鉗制在0.7V左右。
有些集成電路進行了比較器性能的優化，優化后的比較器輸入級通常都有內置的鉗位二極管。使用時，需要在輸入端串聯一個電阻，目的是將內部二極管的電流限制在安全范圍內。
19.1.5 將正弦波轉換為方波
比較器的翻轉點(也稱閾值或參考電壓)是指使比較器的輸出電壓狀態發生改變(從低到高或者從高到低)的輸入電壓。在前面討論的同相和反相比較器中，翻轉電壓為零，因為輸出狀態在該電壓下發生改變。過零檢測器是兩態輸出，任何經過零點的周期性輸入信號都會產生方波輸出。
例如，將正弦信號作為同相比較器的輸入，閾值為0V, 則輸出為同相波形的方波。可以看到，輸入電壓每經過零閾值點一次，過零檢測器的輸出狀態便轉換 一 次。
反相波形是閾值為0V時反相比較器的輸入正弦波和輸出方波。經過過零檢測器，輸出方波與輸入正弦波的相位相差了180°。
19.1.6 線性區
圖所示是一個過零檢測器。如果比較器開環增益無窮大，則正負飽和區之間的過渡區將是垂直的。在圖中顯示的過渡區是垂直的，因為通道2的靈敏度是10mV/ 格。
當通道2的靈敏度變為200μV/ 格時，可以看到過渡區不再是垂直的，如圖所示。到達正向或負向飽和需要大約±100μV的電壓。
這是比較器的典型值。 -100～+100μV之間的狹窄輸入范圍稱為比較器的線性區。輸入信號經過零點時，通過線性區的速度通常很快，只能看到比較器在正負飽和狀態之間的跳變 。
19.1.7 模擬與數字電路的接口
比較器的輸出端通常連接數字電路，如CMOS 、EMOS或者TTL管邏輯電路，數字電路的一種類型)。
圖a所示是過零檢測器與一個EMOS管相連的電路。當輸入電壓大于零時，比較器的輸出為高電平。 使功率場效應管導通并產生較大的負載電流。
圖b所示是過零檢測器與CMOS反相器連接的 電路。原理與圖a所示電路基本相同。比較器的輸入端大于零時，將會產生高電平作為CMOS反相器的輸入 。
多數EMOS器件和CMOS器件都可以處理大于±15V的輸入電壓。因此，可以直接與典型比較器的輸出端連接，不需使用電平轉換或鉗位電路。而TTL邏輯電路要求的輸入電壓較低。因此，比較器和TTL 的連接方法有所不同(下一節將討論)。
19.1.8 鉗位二極管與補償電阻
使用鉗位二極管的限流電阻時，可以在比較器的另一輸入端增加一個相同阻值的補償電阻，如圖所示。 這仍是過零檢測器，只是多了補償電阻以減小輸入偏置電流的影響。
如前所述，二極管通常處于關斷狀態，對電路工作沒有影響。只有當輸入超過±0.7V時，其中一個鉗位二極管導通，防止比較器的輸入電壓過大。
19.1.9 限幅輸出
在某些應用中，過零檢測器的輸出擺幅可能過大。 這時可以使用背靠背連接的齊納二極管限制輸出幅度， 如圖a所示在該電路中，反相比較器的輸出受限， 原因是其中一個二極管正向導通而另一個工作在擊穿區。
例如，1N749的齊納電壓為4.3V, 加在兩個二極管上的電壓約為±5V, 如果輸入是峰值電壓為25mV的正弦波，則輸出電壓是反相的峰值為5V的方波。
圖b所示是另一個限幅輸出的例子。輸出端的二極管將輸出電壓負半周的波形削掉。當輸入是峰值電壓為25mV的正弦波時，輸出電壓被限制在-0.7~+15V之間。
第三種輸出限幅的方法是將齊納二極管接到輸出端。例如，將圖a所示的背靠背齊納二極管連接在輸出端，則輸出電壓被限制在±5V。
19.2 非過零比較器
還有一些應用中的閾值電壓并不是零。可以根據需要，在任一輸入增加偏置來改變閾值電壓。
19.2.1 改變翻轉點
在圖a中，分壓器在反相輸入端產生如下的參考電壓：
當vi大于vref時，差分輸入電壓為正值，輸出為高電壓。當vn小于vref時，差分輸入電壓為負值，輸出為低電壓。
通常在反相輸入端接一個旁路電容，如圖a所示。這可以減小電源紋波及其他噪聲對反相輸入的干擾。為使該電路有效，旁路電容的截止頻率應當遠小于電源的紋波頻率。得到截止頻率為：
圖b所示是電路的傳輸特性(輸入-輸出響應),翻轉點電壓為vf。當vm大于Vef時，比較器的輸出進入正向飽和。當vin小于vref時，比較器的輸出進入負向飽和。
這樣的比較器通常稱為限幅檢測器，因為正電壓輸出說明輸入超過了某個限定值。選取不同的R?和R?,可以在0~Vcc 之間設定任意的限定值。如果需要負的限定值，可將-VEE接到分壓器上，如圖c所示。此時負的參考電壓加到了反相輸入端。當vm比vr正向幅度大時，差分輸入端電壓為正，輸出為高電壓，如圖d所示。當vm比vref負向幅度大時，則輸出為低電壓。
19.2.2 單電源比較器
741C等典型運放可以工作在單一的正電源電壓下，即將-VEE端接地，如圖a所示。輸出電壓只有一個極性，即較低或較高的正電壓。例如，當Vcc=15V時，輸出擺幅可從約+1.5V(低態)變化到+13.5V左右(高態)。
如圖b所示，當vin大于vref時，輸出高電平；當vin小于vret時，輸出低電平。無論哪種情況，輸出都是正極性，這一點在許多數字電路應用中更為適用。
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