簡介
電壓比較器可以用於電壓比較、電平檢測，還可以實現將正弦波轉為方波的功能。相比於單門限比較器，遲滯電壓比較器利用上門限和下門限，增強了抗噪能力；由於電路常采用正反饋，因此能有效避免自激振盪現象的出現。
單門限電壓比較器
集成運放構成的一些加減法、微積分電路都是工作在運放的線性區域的，而比較器則利用了運放非線性區電壓飽和的特性（上左圖描述了運放的傳輸特性）。最簡單的比較器——單門限比較器結構如上右圖所示，其中運放通常選擇集成電壓比較器（較窄的線性區和較快的響應速度），如LM339。
我們可以很容易地寫出該比較器輸出和輸入的關系$v_o=\begin{cases} v_{omax} & \text{ , } v_i > v_{REF}\\ v_{omin} & \text{ , } v_i < v_{REF} \end{cases}$。$v_{REF}$是設置的參考電壓，$v_{omax}$和$v_{omin}$一般絕對值相等，符號相反，與運放的最大飽和輸出幅值相關（也可以在輸出端接穩壓管限幅）。
如果將$v_{REF} $設置為0，$v_i$輸入為正弦波，則不難想到：在正弦波的正半周期，比較器輸出$v_{omax}$；在正弦波的負半周期，比較器輸出$v_{omin}$。這樣看似完成了電壓的比較，但是如果輸入的正弦波有微小的噪聲擾動，勢必導致比較結果的不穩定（如下圖所示）。
遲滯比較器
遲滯特性一定程度上解決了噪聲擾動的問題。如上右圖，當輸入從最小向最大變化過程中，一旦達到一個閾值電壓$V_{UT}$，輸出由$V_{OM}$跳變為$-V_{OM}$（反向組態時）；而當輸入從最大向最小變化過程中，一旦達到另一個閾值電壓$V_{LT}$，輸出由$-V_{OM}$跳變為$V_{OM}$ ；這里的兩個閾值電壓間的寬度$V_H=V_{UT}-V_{LT}$就被稱為遲滯寬度，反映了比較器的遲滯特性。這種遲滯帶來的結果就是：當輸入在中心電壓$V_{ctr}$處附近擾動時，只要沒有觸碰到兩邊的閾值界限，輸出就始終不會發生改變；實際上，中心電壓$V_{ctr}$才是我們期望的門限值。
盡管遲滯在抗擾動方面表現出色，但這也決定了它在小信號比較領域的受限情況，因為微小的輸入信號很可能無法突破閾值邊界，從而被誤認為是噪聲。
電路設計中，需要根據需求設定上下限閾值和中心電壓，故需要對其作進一步分析：
$\frac{V_R-V_+}{R}= \frac{V_+-V_o}{nR}$
$ V_+=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_o , V_-=V_i$
根據跳變時的條件$V_-=V_+$，得到：
$ V_i=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_o $
$ V_{LT}=\frac{n}{1+n}V_R-\frac{1}{1+n}V_{OM} $
$ V_{UT}=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_{OM} $
$V_H=V_{UT}-V_{LT}=\frac{2}{1+n}V_{OM} $
$V_{ctr}=\frac{V_{UT}+V_{LT}}{2}=\frac{n}{1+n}V_R $
由上述結論可以發現，當參考電壓和輸出峰值確定，遲滯寬度和中心電壓的調整都依賴於系數n，其中一方確定，另一方也被定了下來。因此這種電路不能較好地滿足設計需求。
改進的遲滯比較器
上圖將輸出端和參考電壓接在了運放的同相端，構成了同向的電壓比較器。根據節點電流關系，可得：
$\frac{V_R-V_+}{mR}+ \frac{V_I-V_+}{R}+\frac{V_o-V_+}{nR}=0$
當$V_+=V_-=0V$，輸出發生跳轉，此時：
$V_I=-\frac{V_R}{m}-\frac{V_o}{n}$
$V_{LT}=-\frac{V_R}{m}-\frac{V_{OM}}{n}$
$V_{UT}=-\frac{V_R}{m}+\frac{V_{OM}}{n}$
$V_H=V_{UT}-V_{LT}=\frac{2}{n}V_{OM} $
$V_{ctr}=\frac{V_{UT}+V_{LT}}{2}=-\frac{1}{m}V_R $
通過公式可知，n控制遲滯寬度，m控制中心電壓，這樣就實現了完美的分離。
正弦波轉方波
通過比較器將正弦波轉為方波，最后方波的占空比主要取決於中心電壓的選擇，而回差電壓主要起着抗擾動的作用，同時在一定程度上會使占空比偏離設計值。
本次設計，輸入的正弦波峰值為5V，中心電壓值設置為2.5V，那么占空比就為1/3；回差電壓大約取0.3V的樣子；$V_{OM} =14.8V$，$V_R =-15V$，綜上計算得到$m=6,n=100$；$V_{LT} \approx 2.452V$，$V_{UT} \approx 2.648V$；下面是實驗所用電路圖。
時域觀測其輸入和輸出波形，結果的占空比基本是符合理論計算的。但是上下門限似乎都發生了一定的延遲，估計是運放本身的原因，這個現象在高頻時更加明顯，並且由於運放的線性區不能做得無限窄，因此要將這種比較器應用於高頻電路中還是有困難的。
下面分別展示了信號輸入頻率為$100KHz$和$2MHz$下的波形關系，在$2MHz$，輸出的方波甚至變為了類三角波。
