单片集成运算放大器价格便宜、用途广泛且性能可靠。它们不仅可以用于线性电路，如电压放大器、电流源和有源滤波器，而且可以用于非线性电路，如比较器、波形生成器和有源二极管电路。非线性运放电路的输出通常与输入信号的波形不同，这是因为运放在输入周期的某个时间段内达到饱和。因此，必须分析两种不同的工作模式以便了解整个周期的工作状况。
19.1 过零比较器
在电路中，经常需要比较电压的大小，此时，比较器是很好的选择。比较器和运算放大器相似，有两个输入电压(同相和反相)和一个输出电压。与线性运放电路不同的是，比较器只有两个输出状态，即低电平和高电平。因此，比较器通常用于模拟和数字电路的接口。
19.1.1 基本概念
构造比较器最简单的方法是直接连接运放而不使用反馈电阻。由于比较器具有很高的开环电压增益，正的输入电压会产生正向饱和，而负的输入电压会产生负向饱和。
比较器称为过零检测器，因为理想情况下，输出会在输入电压经过零点时从低转换到高或从高转换到低。过零检测器的输入-输出响应。使输出达到饱和的最小输入电压为：
如果Vt=14V, 则比较器输出摆幅约为-14～+14V。如果开环电压增益为100000,那么使电路饱和所需的输入电压为：
即当输入电压大于+0.14mV时，比较器将进入正向饱和；当输入电压小于-0.14mV时，则比较器进入负向饱和。
比较器的输入电压通常远大于±0.14mV。所以输出是两态电压，即+V或-Vat。通过观察输出电压，便可以立刻知道输入电压是否大于零。
知识拓展 比较器的输出可以认为是数字的，其输出为高电平+或低电平- Vsat。
19.1.2 利萨如图形
在示波器的横轴和纵轴输入谐波相关信号时，便会出现利萨如图形。观察电路输入/输出响应的一个简便方法便是通过利萨如图形，其中，将电路的输入和输出电压作为两个谐波相关的信号。
例如，741C的输入-输出响应，其电源电压为±15V。 通道1(纵轴)的灵敏度为5V/ 格。可以看到，输出电压为-14V或者+14V, 取决于比较器处于负向饱和还是正向饱和。
通道2(横轴)的灵敏度为10mV/ 格。在过渡区看起来几乎是垂直的。说明微小的正向输入电压会产生正向饱和，微小的负向输入电压会产生负向饱和。
19.1.3 反相比较器
有时，需要使用带有钳位二极管的反相比较器。同相输入端接地，输入信号驱动比较器的反相输入端。此时，微小的正向输入电压会使输出达到负向最大值，反之，微小的负向输入电压会使输出达到正向最大值。
19.1.4 二极管钳位
前面的章节讨论了二极管钳位器对敏感电路的保护作用。带有钳位二极管的反相比较器是一个实际的例子。可以看到，两个钳位二极管保护比较器的输入，避免电压过大。例如，LF311是一个集成比较器，其最大输入电压范围是±15V。如果输入电压超过了这个限度，LF311就会损坏 。
有些比较器的最大输入电压范围只有±5V, 而有些比较器可能高达±30V。无论哪种情况，都可以使用钳位二极管以防止比较器被大输入电压损坏，当输入电压幅度小于0.7V时，这些二极管对电路的工作没有影响。当输入电压幅度大于0.7V时，其中一个二极管就会导通并将反相输入端电位钳制在0.7V左右。
有些集成电路进行了比较器性能的优化，优化后的比较器输入级通常都有内置的钳位二极管。使用时，需要在输入端串联一个电阻，目的是将内部二极管的电流限制在安全范围内。
19.1.5 将正弦波转换为方波
比较器的翻转点(也称阈值或参考电压)是指使比较器的输出电压状态发生改变(从低到高或者从高到低)的输入电压。在前面讨论的同相和反相比较器中，翻转电压为零，因为输出状态在该电压下发生改变。过零检测器是两态输出，任何经过零点的周期性输入信号都会产生方波输出。
例如，将正弦信号作为同相比较器的输入，阈值为0V, 则输出为同相波形的方波。可以看到，输入电压每经过零阈值点一次，过零检测器的输出状态便转换 一 次。
反相波形是阈值为0V时反相比较器的输入正弦波和输出方波。经过过零检测器，输出方波与输入正弦波的相位相差了180°。
19.1.6 线性区
图所示是一个过零检测器。如果比较器开环增益无穷大，则正负饱和区之间的过渡区将是垂直的。在图中显示的过渡区是垂直的，因为通道2的灵敏度是10mV/ 格。
当通道2的灵敏度变为200μV/ 格时，可以看到过渡区不再是垂直的，如图所示。到达正向或负向饱和需要大约±100μV的电压。
这是比较器的典型值。 -100～+100μV之间的狭窄输入范围称为比较器的线性区。输入信号经过零点时，通过线性区的速度通常很快，只能看到比较器在正负饱和状态之间的跳变 。
19.1.7 模拟与数字电路的接口
比较器的输出端通常连接数字电路，如CMOS 、EMOS或者TTL管逻辑电路，数字电路的一种类型)。
图a所示是过零检测器与一个EMOS管相连的电路。当输入电压大于零时，比较器的输出为高电平。 使功率场效应管导通并产生较大的负载电流。
图b所示是过零检测器与CMOS反相器连接的 电路。原理与图a所示电路基本相同。比较器的输入端大于零时，将会产生高电平作为CMOS反相器的输入 。
多数EMOS器件和CMOS器件都可以处理大于±15V的输入电压。因此，可以直接与典型比较器的输出端连接，不需使用电平转换或钳位电路。而TTL逻辑电路要求的输入电压较低。因此，比较器和TTL 的连接方法有所不同(下一节将讨论)。
19.1.8 钳位二极管与补偿电阻
使用钳位二极管的限流电阻时，可以在比较器的另一输入端增加一个相同阻值的补偿电阻，如图所示。 这仍是过零检测器，只是多了补偿电阻以减小输入偏置电流的影响。
如前所述，二极管通常处于关断状态，对电路工作没有影响。只有当输入超过±0.7V时，其中一个钳位二极管导通，防止比较器的输入电压过大。
19.1.9 限幅输出
在某些应用中，过零检测器的输出摆幅可能过大。 这时可以使用背靠背连接的齐纳二极管限制输出幅度， 如图a所示在该电路中，反相比较器的输出受限， 原因是其中一个二极管正向导通而另一个工作在击穿区。
例如，1N749的齐纳电压为4.3V, 加在两个二极管上的电压约为±5V, 如果输入是峰值电压为25mV的正弦波，则输出电压是反相的峰值为5V的方波。
图b所示是另一个限幅输出的例子。输出端的二极管将输出电压负半周的波形削掉。当输入是峰值电压为25mV的正弦波时，输出电压被限制在-0.7~+15V之间。
第三种输出限幅的方法是将齐纳二极管接到输出端。例如，将图a所示的背靠背齐纳二极管连接在输出端，则输出电压被限制在±5V。
19.2 非过零比较器
还有一些应用中的阈值电压并不是零。可以根据需要，在任一输入增加偏置来改变阈值电压。
19.2.1 改变翻转点
在图a中，分压器在反相输入端产生如下的参考电压：
当vi大于vref时，差分输入电压为正值，输出为高电压。当vn小于vref时，差分输入电压为负值，输出为低电压。
通常在反相输入端接一个旁路电容，如图a所示。这可以减小电源纹波及其他噪声对反相输入的干扰。为使该电路有效，旁路电容的截止频率应当远小于电源的纹波频率。得到截止频率为：
图b所示是电路的传输特性(输入-输出响应),翻转点电压为vf。当vm大于Vef时，比较器的输出进入正向饱和。当vin小于vref时，比较器的输出进入负向饱和。
这样的比较器通常称为限幅检测器，因为正电压输出说明输入超过了某个限定值。选取不同的R₁和R₂,可以在0~Vcc 之间设定任意的限定值。如果需要负的限定值，可将-VEE接到分压器上，如图c所示。此时负的参考电压加到了反相输入端。当vm比vr正向幅度大时，差分输入端电压为正，输出为高电压，如图d所示。当vm比vref负向幅度大时，则输出为低电压。
19.2.2 单电源比较器
741C等典型运放可以工作在单一的正电源电压下，即将-VEE端接地，如图a所示。输出电压只有一个极性，即较低或较高的正电压。例如，当Vcc=15V时，输出摆幅可从约+1.5V(低态)变化到+13.5V左右(高态)。
如图b所示，当vin大于vref时，输出高电平；当vin小于vret时，输出低电平。无论哪种情况，输出都是正极性，这一点在许多数字电路应用中更为适用。
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