很多剛接觸模擬電路的朋友一聽到比較器三個(gè)字第一反應(yīng)就是去翻LM393或者LM358的datasheet覺得專用芯片才是正道。但我在實(shí)際做小功率電源管理、電池低壓告警、光控開關(guān)這類項(xiàng)目時(shí)手邊經(jīng)常沒有合適的比較器芯片反倒是IRF540N、2N7002這類MOS管一抓一大把。用MOS管搭一個(gè)簡(jiǎn)易電壓比較器成本不到兩毛錢響應(yīng)速度還夠用理解起來也比運(yùn)放更直觀——你能親眼看到柵極電壓越過閾值的那一刻漏極電平啪地翻轉(zhuǎn)。這篇文章就是把我自己反復(fù)搭過、燒過、調(diào)過的MOS管比較器方案完整拆開講。從最基礎(chǔ)的共源極反相器怎么變成比較器到實(shí)際電路中必須處理的閾值離散性、輸入電壓范圍、輸出驅(qū)動(dòng)能力再到讓輸出不抖的遲滯電路設(shè)計(jì)最后給出可以直接照著焊的電路圖和元件參數(shù)。不管你是電子專業(yè)的學(xué)生想做課程設(shè)計(jì)還是DIY愛好者想給自己的小裝置加一個(gè)電壓監(jiān)測(cè)功能這套方案都能直接落地。1. 為什么用MOS管做比較器而不是直接上LM3931.1 專用比較器芯片和MOS管方案的適用邊界先說清楚一件事LM393這類專用比較器芯片確實(shí)是正規(guī)軍。它有明確的失調(diào)電壓指標(biāo)典型2mV、推挽或開集輸出、寬電源范圍而且內(nèi)部做了溫度補(bǔ)償。如果你要做精密測(cè)量、高速比較微秒級(jí)以下、或者輸入信號(hào)只有幾毫伏的差異那老老實(shí)實(shí)用LM393別折騰MOS管。但很多實(shí)際場(chǎng)景根本不需要那么高的精度。比如12V電池降到10.5V時(shí)點(diǎn)亮一個(gè)LED告警光敏電阻分壓超過某個(gè)值時(shí)繼電器吸合超級(jí)電容充電到5V時(shí)切斷充電回路這些場(chǎng)景的共同特點(diǎn)是判斷閾值是伏特級(jí)別的對(duì)比較精度要求不高但要求電路簡(jiǎn)單、成本低、手邊元件就能搭。這時(shí)候用MOS管做比較器就非常合適。我做過一個(gè)粗略的對(duì)比方便你判斷該選哪條路對(duì)比維度LM393專用比較器MOS管簡(jiǎn)易比較器單路成本約0.5~1元約0.1~0.3元失調(diào)電壓典型2mV幾十mV到幾百mV響應(yīng)時(shí)間約1.3微秒約幾十納秒到微秒級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)開集可灌20mA取決于MOS管IRF540N可到數(shù)安培閾值可調(diào)性外接分壓即可外接分壓即可輸入阻抗極高極高柵極幾乎不吃電流電路復(fù)雜度需要上拉電阻、可能需遲滯同樣需要但更直觀從表里能看出來MOS管方案輸在精度贏在成本和驅(qū)動(dòng)能力。特別是IRF540N這種功率MOS管輸出端直接帶繼電器、帶LED、甚至帶小電機(jī)都沒問題不需要額外的驅(qū)動(dòng)級(jí)。這是LM393做不到的——LM393輸出只有20mA灌電流能力帶個(gè)繼電器還得再加三極管。1.2 MOS管做比較器的本質(zhì)把共源極放大器推到極端要理解MOS管怎么當(dāng)比較器用得先回到最基礎(chǔ)的共源極放大電路。一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管比如IRF540N源極接地漏極通過一個(gè)電阻Rd接到電源Vcc柵極接輸入信號(hào)。當(dāng)柵極電壓Vgs低于閾值電壓Vth時(shí)MOS管截止漏極沒有電流輸出電壓等于Vcc。當(dāng)Vgs高于Vth時(shí)MOS管導(dǎo)通漏極電流增大漏極電壓下降。在放大器應(yīng)用里我們給柵極加一個(gè)直流偏置讓MOS管工作在飽和區(qū)這樣輸入的小信號(hào)變化會(huì)引起漏極電流的線性變化從而實(shí)現(xiàn)放大。但比較器要的不是線性放大而是**要么全開要么全關(guān)的開關(guān)行為**。所以做比較器的關(guān)鍵操作是不給偏置或者把偏置設(shè)在閾值附近讓輸入信號(hào)一越過閾值MOS管就從截止區(qū)直接沖到深線性區(qū)或飽和區(qū)邊緣漏極電壓發(fā)生大幅度跳變。這個(gè)跳變就是比較器的輸出。用生活化的類比放大器像是把一個(gè)小聲音用麥克風(fēng)慢慢放大比較器像是門衛(wèi)——你身高超過1米2就放行沒超過就攔住中間沒有放大的過程只有過和不過兩個(gè)狀態(tài)。IRF540N的Vth典型值是2~4Vdatasheet標(biāo)稱范圍這意味著當(dāng)柵極電壓從0V慢慢升高大約到3V左右時(shí)漏極電壓會(huì)開始明顯下降。這個(gè)開始明顯下降的點(diǎn)就是我們的比較閾值。但注意這個(gè)閾值是不精確的因?yàn)閂th本身有離散性而且隨溫度變化。這就是為什么MOS管比較器只適合粗判斷場(chǎng)景。2. 從零搭一個(gè)共源極MOS管比較器2.1 元件清單和選型理由先把手邊要用的東西列清楚。我以IRF540N為例因?yàn)檫@是最容易買到的N溝道功率MOS管之一TO-220封裝便宜耐壓100V電流33A拿來當(dāng)比較器屬于大炮打蚊子但勝在手邊就有。需要的元件IRF540N× 1N溝道MOS管Vth約2~4V電阻 10kΩ× 2一個(gè)做漏極負(fù)載Rd一個(gè)做柵極分壓的上臂電阻 10kΩ電位器× 1做閾值調(diào)節(jié)或者用兩個(gè)固定電阻分壓電阻 1kΩ× 1柵極串聯(lián)保護(hù)電阻可選但建議加LED× 1做輸出指示電阻 330Ω× 1LED限流電源 12V× 1Vcc選IRF540N的理由很簡(jiǎn)單Vth在2~4V之間用12V供電時(shí)柵極分壓很容易做到讓閾值落在中間。而且它的輸入電容Ciss大約1800pF不算太大響應(yīng)速度夠用。如果你手邊只有2N7002這種小信號(hào)MOS管Vth在1~2.5V也完全可以只是輸出驅(qū)動(dòng)能力弱一些帶LED沒問題帶繼電器就要看電流了。漏極負(fù)載電阻Rd選10kΩ這個(gè)值決定了輸出高電平的上升沿速度。Rd越大輸出高電平越接近Vcc但上升沿越慢因?yàn)橐鶰OS管的輸出電容和負(fù)載電容充電。10kΩ在12V下輸出高電平電流只有1.2mA帶LED需要另外從輸出端取電流或者把Rd減小到1kΩ。我這里先用10kΩ講原理后面再講驅(qū)動(dòng)能力的問題。2.2 電路連接一步一步來電路結(jié)構(gòu)其實(shí)非常簡(jiǎn)單就是共源極反相器加一個(gè)輸入分壓網(wǎng)絡(luò)。第一步接MOS管的基本回路。IRF540N的引腳排列正面朝自己、引腳朝下時(shí)從左到右是柵極G、漏極D、源極S。把源極直接接地。漏極通過10kΩ電阻Rd接到12V電源正極。這個(gè)10kΩ就是漏極負(fù)載。第二步接輸入分壓網(wǎng)絡(luò)。用一個(gè)10kΩ電位器兩端分別接12V和地中間抽頭通過一個(gè)1kΩ電阻接到MOS管柵極。這個(gè)1kΩ是柵極串聯(lián)電阻作用是限制柵極充電電流、抑制可能的振蕩。雖然比較器應(yīng)用里振蕩不常見但加上沒壞處。第三步接輸出指示。從漏極引出一根線通過330Ω限流電阻接LED正極LED負(fù)極接地。注意當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)漏極電壓被拉低到接近0VLED不亮當(dāng)MOS管截止時(shí)漏極電壓接近12VLED亮。所以這個(gè)電路的邏輯是輸入電壓越高輸出越低LED滅是反相邏輯。第四步上電測(cè)試。先把電位器調(diào)到最低柵極電壓0V此時(shí)MOS管截止漏極應(yīng)該是12VLED亮。然后慢慢調(diào)高電位器觀察LED在某個(gè)位置突然熄滅。那個(gè)位置對(duì)應(yīng)的柵極電壓就是IRF540N的實(shí)際閾值電壓。我實(shí)測(cè)過幾顆IRF540N這個(gè)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)大概在2.8V到3.5V之間個(gè)體差異明顯。注意第一次上電時(shí)建議用可調(diào)電源限流在100mA以內(nèi)防止接錯(cuò)線導(dǎo)致MOS管直接導(dǎo)通燒毀。IRF540N雖然耐流大但柵極如果被靜電擊穿或者漏極負(fù)載接錯(cuò)也可能損壞。2.3 實(shí)測(cè)波形和翻轉(zhuǎn)特性用示波器看這個(gè)電路的翻轉(zhuǎn)過程很有意思。我在柵極加一個(gè)1kHz、幅度0~5V的三角波漏極接示波器探頭能看到這樣的波形當(dāng)柵極電壓從0V上升在到達(dá)約3V之前漏極電壓一直保持在12V附近。到達(dá)3V左右時(shí)漏極電壓開始快速下降在柵極電壓約3.2V時(shí)漏極已經(jīng)降到1V以下。繼續(xù)升高柵極電壓漏極電壓基本維持在0.1~0.3V這是MOS管導(dǎo)通電阻Rds(on)乘以漏極電流的結(jié)果IRF540N的Rds(on)約44mΩ10kΩ負(fù)載下電流1.2mA壓降只有0.05mV可以忽略。下降沿的過渡區(qū)大約只有0.2~0.3V寬也就是說輸入電壓變化0.3V輸出就從高電平翻到低電平。這個(gè)過渡區(qū)越窄比較器越干脆。過渡區(qū)寬度主要由MOS管的跨導(dǎo)gm決定gm越大過渡區(qū)越窄。IRF540N的gm在3A時(shí)約20S在小電流下會(huì)小一些但依然足夠讓過渡區(qū)很窄。但這里有個(gè)問題過渡區(qū)窄是好事但閾值不精確是壞事。因?yàn)閂th的離散性你焊兩塊板子一塊可能在2.8V翻轉(zhuǎn)另一塊在3.5V翻轉(zhuǎn)。如果應(yīng)用要求閾值一致就必須加調(diào)節(jié)手段或者換用帶遲滯的電路。3. 讓輸出不抖遲滯電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 為什么沒有遲滯會(huì)比較器輸出會(huì)抖這是MOS管比較器最容易踩的坑。假設(shè)你的輸入信號(hào)是一個(gè)緩慢變化的電壓比如電池放電曲線從12V慢慢降到10V。當(dāng)輸入電壓正好在閾值附近時(shí)任何微小的噪聲——電源紋波、空間干擾、甚至熱噪聲——都會(huì)讓輸入電壓在閾值上下反復(fù)穿越。結(jié)果就是輸出端LED瘋狂閃爍繼電器噠噠噠響個(gè)不停。這個(gè)現(xiàn)象叫抖動(dòng)chattering根源在于比較器只有一個(gè)閾值。輸入電壓在閾值附近時(shí)輸出在高低之間反復(fù)跳變而輸出的跳變又可能通過電源耦合回輸入端形成正反饋式的振蕩。解決方法是引入遲滯hysteresis也就是讓比較器有兩個(gè)閾值一個(gè)上閾值VTH和一個(gè)下閾值VTH-。輸入電壓從低往高升必須超過VTH輸出才翻轉(zhuǎn)輸入電壓從高往低降必須低于VTH-輸出才翻回去。兩個(gè)閾值之間的差值叫遲滯寬度Vhys。用生活類比普通比較器像一扇沒有彈簧的門你在門縫位置來回晃門就來回開合。遲滯比較器像裝了彈簧的門推開需要一定力氣關(guān)上也需要一定力氣中間有個(gè)死區(qū)小晃動(dòng)不會(huì)讓門動(dòng)。3.2 用正反饋電阻實(shí)現(xiàn)遲滯在MOS管比較器里加遲滯最常用的方法是從輸出端引一個(gè)電阻回到輸入端形成正反饋。具體接法在柵極和漏極之間接一個(gè)電阻Rf同時(shí)在柵極和輸入分壓點(diǎn)之間保留原來的連接。這樣當(dāng)漏極電壓變化時(shí)會(huì)通過Rf影響柵極電壓從而改變閾值。計(jì)算遲滯寬度需要用到疊加原理。設(shè)輸入分壓網(wǎng)絡(luò)在柵極產(chǎn)生的電壓為Vin即沒有Rf時(shí)的柵極電壓漏極電壓為VoutRf連接在柵極和漏極之間柵極到地的等效電阻為Rg由輸入分壓網(wǎng)絡(luò)決定。當(dāng)Vout為高電平接近Vcc時(shí)Rf會(huì)把柵極電壓往上拉等效于上閾值VTH升高。當(dāng)Vout為低電平接近0V時(shí)Rf會(huì)把柵極電壓往下拉等效于下閾值VTH-降低。遲滯寬度近似為Vhys ≈ (Vcc × Rg) / (Rf Rg)這個(gè)公式是近似值因?yàn)镸OS管翻轉(zhuǎn)過程中Vout不是瞬間跳變的。但對(duì)于設(shè)計(jì)來說足夠用了。舉個(gè)例子Vcc12V輸入分壓網(wǎng)絡(luò)用兩個(gè)10kΩ電阻分壓所以Rg≈5kΩ兩個(gè)10kΩ并聯(lián)。想要遲滯寬度約0.5V代入公式0.5V ≈ (12V × 5kΩ) / (Rf 5kΩ)解得Rf 5kΩ ≈ 120kΩ所以Rf ≈ 115kΩ。取標(biāo)準(zhǔn)值120kΩ。實(shí)際搭出來遲滯寬度大概在0.4~0.6V之間跟計(jì)算值接近。這個(gè)遲滯寬度對(duì)于電池低壓告警來說剛好——電池電壓在閾值附近波動(dòng)0.5V以內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致輸出抖動(dòng)超過0.5V才翻轉(zhuǎn)。提示Rf不能太小否則遲滯寬度過大比較器會(huì)變得遲鈍輸入電壓變化很大才能翻轉(zhuǎn)。一般遲滯寬度取閾值電壓的5%~10%比較合適。比如閾值3V遲滯寬度取0.15~0.3V。3.3 遲滯電路的實(shí)測(cè)效果對(duì)比我專門做了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。輸入信號(hào)是一個(gè)疊加了100mV峰峰值噪聲的緩慢三角波頻率1Hz幅度0~5V。沒有遲滯時(shí)輸出端LED在輸入電壓接近3V時(shí)開始閃爍閃爍持續(xù)了大約0.3秒對(duì)應(yīng)輸入電壓變化0.3V的范圍示波器上能看到輸出在高低之間跳變了十幾次。加了120kΩ正反饋電阻后輸出只在輸入電壓超過3.2V時(shí)翻轉(zhuǎn)一次然后在輸入電壓降到2.7V時(shí)翻回去中間0.5V范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定沒有抖動(dòng)。LED要么亮要么滅沒有閃爍。這個(gè)對(duì)比說明遲滯電路是必須的。沒有遲滯的比較器在實(shí)際應(yīng)用中基本不可用除非你的輸入信號(hào)非常干凈、變化非常快比如數(shù)字信號(hào)。4. 提升驅(qū)動(dòng)能力從帶LED到帶繼電器4.1 漏極負(fù)載電阻的選擇邏輯前面用的10kΩ漏極負(fù)載輸出高電平時(shí)只能提供1.2mA電流帶LED都勉強(qiáng)LED需要5~10mA。要提升驅(qū)動(dòng)能力最直接的方法是減小Rd。但減小Rd會(huì)帶來兩個(gè)問題問題一輸出低電平抬高。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)漏極電壓等于Rds(on) × Id。Id Vcc / Rd忽略Rds(on)。如果Rd1kΩId12mA漏極電壓44mΩ × 12mA ≈ 0.5mV依然很低沒問題。但如果Rd100ΩId120mA漏極電壓44mΩ × 120mA ≈ 5.3mV還是低。IRF540N的Rds(on)很小所以這個(gè)問題不嚴(yán)重。問題二功耗增加。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)Rd上的功耗是Vcc2/Rd。Rd10kΩ時(shí)功耗14.4mWRd1kΩ時(shí)功耗144mWRd100Ω時(shí)功耗1.44W。所以Rd不能無限減小要選功率足夠的電阻。1kΩ用1/4W電阻沒問題100Ω就要用2W以上的電阻了。對(duì)于帶繼電器一般繼電器線圈需要50~100mA電流。如果直接用漏極驅(qū)動(dòng)Rd取100Ω導(dǎo)通時(shí)功耗1.44W截止時(shí)繼電器線圈兩端電壓接近12V可以吸合。但更穩(wěn)妥的做法是用MOS管直接驅(qū)動(dòng)繼電器繼電器接在漏極和Vcc之間而不是用Rd做負(fù)載。4.2 繼電器接在漏極回路的具體接法把繼電器線圈一端接Vcc另一端接MOS管漏極。MOS管源極接地。這樣當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)繼電器線圈通電吸合MOS管截止時(shí)繼電器釋放。但繼電器線圈是感性負(fù)載斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)可能擊穿MOS管。所以必須在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管比如1N4007二極管負(fù)極接Vcc正極接漏極。這樣斷開瞬間線圈電流通過二極管續(xù)流不會(huì)產(chǎn)生高壓。這個(gè)接法下MOS管漏極不需要額外的負(fù)載電阻。但要注意繼電器線圈的直流電阻決定了導(dǎo)通電流。比如一個(gè)12V繼電器線圈電阻400Ω導(dǎo)通電流30mAIRF540N的Rds(on)壓降只有1.3mV完全可以忽略。注意如果繼電器線圈電流較大超過1AIRF540N需要加散熱片。雖然Rds(on)只有44mΩ但1A電流下功耗也有44mWTO-220封裝不加散熱片也能承受但留有余量更穩(wěn)妥。4.3 輸出邏輯取反的兩種方法前面說過共源極電路的輸出是反相的輸入高輸出低。但有些應(yīng)用需要同相邏輯輸入高輸出也高。有兩種方法實(shí)現(xiàn)同相輸出。方法一用P溝道MOS管。把P溝道MOS管比如IRF9540N的源極接Vcc漏極通過負(fù)載電阻接地柵極接輸入。當(dāng)輸入低時(shí)P溝道MOS管導(dǎo)通漏極輸出高輸入高時(shí)P溝道MOS管截止漏極輸出低。這樣就是同相邏輯。但P溝道MOS管的Vth是負(fù)值輸入分壓網(wǎng)絡(luò)要重新設(shè)計(jì)。方法二加一級(jí)反相器。在N溝道MOS管輸出后面再加一個(gè)N溝道MOS管反相級(jí)或者用一個(gè)三極管反相。這樣兩級(jí)反相就是同相。但電路復(fù)雜一些延遲也增加。我一般用方法一因?yàn)镻溝道MOS管也不貴而且一級(jí)搞定延遲小。但要注意P溝道MOS管的導(dǎo)通電阻通常比N溝道大選型時(shí)要看Rds(on)是否滿足負(fù)載要求。5. 實(shí)際搭建中的坑與排查思路5.1 柵極電壓上不去分壓電阻取值過大我第一次搭這個(gè)電路時(shí)用了一個(gè)1MΩ電位器做分壓結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論怎么調(diào)MOS管都不翻轉(zhuǎn)。用萬用表量柵極電壓發(fā)現(xiàn)只有0.5V左右遠(yuǎn)低于預(yù)期。排查過程先量電位器兩端電壓12V正常。再量中間抽頭對(duì)地電壓發(fā)現(xiàn)只有0.5V。斷開柵極連接再量抽頭電壓恢復(fù)正常可以調(diào)到0~12V。說明問題出在柵極上。原因MOS管柵極雖然直流輸入阻抗極高約10^15Ω但柵極有輸入電容IRF540N約1800pF。當(dāng)電位器阻值很大時(shí)柵極充電時(shí)間常數(shù)R×C很大。如果電位器調(diào)到中間等效源阻抗約250kΩ充電時(shí)間常數(shù)250kΩ×1800pF450微秒。如果輸入電壓變化較快柵極電壓跟不上就會(huì)表現(xiàn)為上不去。解決方法把分壓電阻減小到10kΩ級(jí)別。10kΩ×1800pF18納秒完全跟得上。所以分壓網(wǎng)絡(luò)用10kΩ電位器或兩個(gè)10kΩ固定電阻不要用1MΩ。5.2 輸出翻轉(zhuǎn)但LED不亮漏極負(fù)載和LED接法沖突有一次我為了省一個(gè)電阻把LED直接接在漏極和地之間沒有限流電阻。結(jié)果MOS管截止時(shí)漏極12V直接加在LED上LED瞬間燒毀。后來改成漏極通過330Ω接LEDLED另一端接地。但發(fā)現(xiàn)LED亮度很低因?yàn)?0kΩ漏極負(fù)載只能提供1.2mA而LED需要5mA以上才夠亮。解決方法要么減小漏極負(fù)載電阻到1kΩ此時(shí)漏極電流12mALED可以亮要么把LED接在Vcc和漏極之間這樣MOS管導(dǎo)通時(shí)LED亮邏輯反過來。我一般用1kΩ漏極負(fù)載兼顧輸出電平和LED驅(qū)動(dòng)。5.3 遲滯電阻接上后閾值偏移過大加遲滯電阻Rf后發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)閾值比不加時(shí)偏移了很多。比如原來3V翻轉(zhuǎn)加了120kΩ后變成3.8V翻轉(zhuǎn)。原因Rf不僅提供正反饋還改變了柵極的直流偏置。因?yàn)镽f連接在漏極和柵極之間當(dāng)漏極是高電平時(shí)Rf相當(dāng)于一個(gè)上拉電阻把柵極電壓往上拉。這個(gè)上拉作用在輸入分壓網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加導(dǎo)致閾值升高。解決方法重新計(jì)算分壓網(wǎng)絡(luò)把閾值調(diào)回來。或者把Rf接到源極而不是漏極但那樣就是負(fù)反饋沒有遲滯效果。正確的做法是接受這個(gè)偏移在設(shè)計(jì)分壓網(wǎng)絡(luò)時(shí)就把Rf的影響考慮進(jìn)去。具體計(jì)算可以用節(jié)點(diǎn)電壓法把Rf和分壓網(wǎng)絡(luò)一起解方程。我一般先用近似公式算出Rf然后實(shí)際搭出來測(cè)閾值再微調(diào)分壓電阻。這個(gè)過程需要一點(diǎn)耐心但比反復(fù)計(jì)算快。5.4 電源噪聲導(dǎo)致誤翻轉(zhuǎn)有一次用開關(guān)電源給電路供電發(fā)現(xiàn)輸出在輸入電壓遠(yuǎn)離閾值時(shí)也會(huì)偶爾翻轉(zhuǎn)。用示波器看電源紋波發(fā)現(xiàn)有200mV峰峰值的開關(guān)噪聲。原因開關(guān)噪聲通過電源耦合到柵極分壓網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致柵極電壓波動(dòng)。如果波動(dòng)幅度超過遲滯寬度就會(huì)誤翻轉(zhuǎn)。解決方法在電源端加一個(gè)100μF電解電容和一個(gè)100nF陶瓷電容并聯(lián)濾波。如果噪聲還是大在柵極分壓點(diǎn)對(duì)地加一個(gè)100nF電容濾掉高頻噪聲。但注意這個(gè)電容不能太大否則會(huì)減慢輸入響應(yīng)速度。6. 完整電路圖與元件參數(shù)匯總6.1 最終電路連接說明經(jīng)過上面幾輪的調(diào)整最終可用的MOS管電壓比較器電路如下電源部分12V直流電源正極接Vcc負(fù)極接地。在Vcc和地之間并聯(lián)100μF電解電容和100nF陶瓷電容各一個(gè)。輸入分壓部分10kΩ電位器兩端分別接Vcc和地中間抽頭通過1kΩ電阻接MOS管柵極。柵極對(duì)地接100nF電容可選用于濾高頻噪聲。MOS管部分IRF540N源極接地漏極通過1kΩ電阻Rd接Vcc。柵極和漏極之間接120kΩ電阻Rf遲滯反饋。輸出指示部分漏極通過330Ω電阻接LED正極LED負(fù)極接地。當(dāng)MOS管截止時(shí)漏極接近12VLED亮MOS管導(dǎo)通時(shí)漏極接近0VLED滅。邏輯關(guān)系輸入電壓電位器抽頭電壓升高到超過上閾值時(shí)MOS管導(dǎo)通LED滅輸入電壓降低到低于下閾值時(shí)MOS管截止LED亮。上閾值約3.2V下閾值約2.7V遲滯寬度約0.5V。6.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算表參數(shù)數(shù)值計(jì)算依據(jù)漏極負(fù)載Rd1kΩ兼顧輸出電平和LED驅(qū)動(dòng)電流12mA柵極串聯(lián)電阻Rg1kΩ限制柵極充電電流抑制振蕩遲滯反饋電阻Rf120kΩVhys≈(12V×5kΩ)/(120kΩ5kΩ)≈0.48V輸入分壓電阻10kΩ電位器保證柵極充電時(shí)間常數(shù)20nsLED限流電阻330Ω(12V-2V)/330Ω≈30mA實(shí)際因Rd分壓約10mA濾波電容100μF100nF濾除電源低頻和高頻噪聲6.3 不同MOS管的替換方案如果你手邊沒有IRF540N可以用其他N溝道MOS管替換但要注意Vth和Rds(on)的差異MOS管型號(hào)Vth范圍Rds(on)適用場(chǎng)景IRF540N2~4V44mΩ通用驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)2N70021~2.5V1.2Ω小信號(hào)帶LED足夠IRFZ44N2~4V17.5mΩ大電流帶繼電器AO34000.5~1.5V28mΩ低壓應(yīng)用Vth低IRLZ44N1~2V22mΩ邏輯電平適合3.3V/5V系統(tǒng)替換時(shí)要注意Vth越低閾值電壓越低分壓網(wǎng)絡(luò)要相應(yīng)調(diào)整。比如用AO3400Vth只有1V左右閾值可能設(shè)在1.5V分壓電阻要重新算。Rds(on)越大導(dǎo)通時(shí)漏極電壓越高輸出低電平不夠低但一般帶LED沒問題。7. 這個(gè)電路還能怎么擴(kuò)展7.1 加一個(gè)三極管做輸出緩沖如果覺得MOS管漏極直接帶負(fù)載會(huì)影響比較器性能負(fù)載電流變化會(huì)通過Rds(on)影響漏極電壓可以在漏極后面加一個(gè)射極跟隨器NPN三極管比如2N3904基極接漏極集電極接Vcc發(fā)射極通過負(fù)載電阻接地。這樣負(fù)載電流由三極管提供MOS管漏極只驅(qū)動(dòng)三極管基極負(fù)載對(duì)比較器的影響大大減小。這個(gè)緩沖級(jí)對(duì)于驅(qū)動(dòng)繼電器特別有用因?yàn)槔^電器線圈電流較大直接接漏極雖然也能工作但繼電器吸合瞬間的電流沖擊可能通過電源耦合回輸入端。加一級(jí)緩沖后隔離效果更好。7.2 用兩個(gè)MOS管做窗口比較器窗口比較器是判斷輸入電壓是否在兩個(gè)閾值之間。用兩個(gè)MOS管比較器可以搭出來一個(gè)比較器設(shè)上閾值一個(gè)設(shè)下閾值兩個(gè)輸出通過邏輯組合比如兩個(gè)LED指示輸入電壓是否在窗口內(nèi)。具體接法第一個(gè)MOS管比較器的閾值設(shè)在上限第二個(gè)設(shè)在下限。當(dāng)輸入電壓高于上限時(shí)第一個(gè)輸出翻轉(zhuǎn)低于下限時(shí)第二個(gè)輸出翻轉(zhuǎn)。兩個(gè)都不翻轉(zhuǎn)時(shí)說明輸入在窗口內(nèi)。這個(gè)電路可以用于電池過壓和欠壓同時(shí)監(jiān)測(cè)。7.3 把輸出接到單片機(jī)做電壓監(jiān)測(cè)MOS管比較器的輸出是數(shù)字電平高或低可以直接接到單片機(jī)的GPIO引腳。但要注意電平匹配如果單片機(jī)是3.3V系統(tǒng)而比較器輸出是12V需要加一個(gè)分壓電阻或者電平轉(zhuǎn)換電路否則會(huì)燒單片機(jī)引腳。我一般用兩個(gè)電阻分壓漏極通過10kΩ接單片機(jī)引腳引腳再通過20kΩ接地。這樣12V輸出被分壓到4V左右3.3V單片機(jī)勉強(qiáng)能識(shí)別為高電平但不太保險(xiǎn)。更穩(wěn)妥的做法是用一個(gè)3.3V穩(wěn)壓二極管鉗位或者用光耦隔離。如果單片機(jī)是5V系統(tǒng)直接接就行5V系統(tǒng)一般能耐受12V輸入但最好還是分壓。這個(gè)MOS管比較器我前后搭過七八個(gè)版本從最初的一上電就燒管子到后來能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)繼電器中間踩的坑基本都寫在上面了。最深的體會(huì)是MOS管比較器的精度雖然不如專用芯片但它的驅(qū)動(dòng)能力和直觀性是小芯片比不了的。特別是IRF540N這種管子輸出端直接帶個(gè)幾安培的負(fù)載都沒問題這在做電源管理時(shí)非常方便。另外提醒一句如果你要做的是精密比較比如鋰電池保護(hù)板的過充檢測(cè)精度要求±50mV那還是老老實(shí)實(shí)用專用保護(hù)IC或者LM393。MOS管比較器的閾值離散性太大不適合這種場(chǎng)景。但如果你只是做個(gè)光控開關(guān)、電池低壓指示燈、或者給DIY項(xiàng)目加個(gè)簡(jiǎn)單的電壓判斷功能這套方案絕對(duì)夠用而且成本低到可以忽略不計(jì)。