第3章電壓比較器

第3章電壓比較器、馳張振蕩器

及模擬開(kāi)關(guān)

電壓比較器

馳張振蕩器

模擬開(kāi)關(guān)電壓比較器的功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高、低兩個(gè)電平。3.1電壓比較器電壓比較器有專(zhuān)用的集成芯片可供使用，也可用集成運(yùn)放組成。用作比較器的運(yùn)放將工作在開(kāi)環(huán)或正反饋的非線(xiàn)性狀態(tài)。在信號(hào)變換、檢測(cè)和波形產(chǎn)生電路中有廣泛應(yīng)用。電壓比較器的基本特性1).輸出高電平(UoH)和低電平(UoL)

用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其輸出的高電平UoH和低電平UoL可分別接近于正電源電壓(UCC)和負(fù)電源電壓(-UCC)。電壓比較器的電路符號(hào)

理想的電壓比較器，在高、低電平轉(zhuǎn)換的門(mén)限UT處具有階躍的傳輸特性。

實(shí)際運(yùn)放的Aud不為無(wú)窮大。在UT附近存在著一個(gè)比較的不靈敏區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)輸出既非UoH，也非UoL，故無(wú)法對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別。2).鑒別靈敏度要求運(yùn)放：

顯然，Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，稱(chēng)比較器的鑒別靈敏度越高。轉(zhuǎn)換時(shí)間

3).轉(zhuǎn)換速度比較器輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。為此可對(duì)比較器施加正反饋，以提高轉(zhuǎn)換速度。非線(xiàn)性應(yīng)用的條件：運(yùn)放開(kāi)環(huán)或施加正反饋。理想集成運(yùn)放非線(xiàn)性應(yīng)用時(shí)的特點(diǎn)非線(xiàn)性應(yīng)用特點(diǎn)：此時(shí)，兩輸入端“虛短路”的概念不再適用。1.)反相電壓比較器電路如圖所示，輸入信號(hào)ui加在反相端，參考電壓ur加在同相端。1.簡(jiǎn)單電壓比較器ui<ur

，uo=UOH當(dāng)ui>ur

，uo=UOL

傳輸特性

uo=f(ui)當(dāng)該電路的參考電壓為零時(shí)，則為反相過(guò)零比較器。

02).同相電壓比較器ui<ur

，uo=UOL當(dāng)ui>ur

，uo=UOH傳輸特性

uo=f(ui)當(dāng)參考電壓為零時(shí)，則為同相過(guò)零比較器。

電路如圖所示，輸入信號(hào)ui加在同相端，參考電壓ur加在反相端。

0[例1].若ui=5sinωtVur=2V,UCC=12V。試畫(huà)出反相和同相比較器的輸出波形。反相比較器同相比較器[例2].將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。[例3].若ur為三角波，而ui為緩變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。反相比較器反相過(guò)零比較器

0

反相電壓比較器同相電壓比較器

0

簡(jiǎn)單電壓比較器小結(jié)簡(jiǎn)單比較器應(yīng)用中存在的問(wèn)題

①.輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受運(yùn)放的限制，使高頻脈沖的邊緣不夠陡峭；②.抗干擾能力差。在比較門(mén)限處，輸出將產(chǎn)生多次跳變。2.遲滯比較器––雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器解決方法：在比較器中引入正反饋，構(gòu)成“遲滯比較器”。有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，改善輸出波形的邊緣。1).反相遲滯比較器

反相遲滯比較器電路如圖所示。R1和R2將輸出電壓uo反饋到運(yùn)放的同相端，構(gòu)成正反饋。為簡(jiǎn)單計(jì)，R1端所接的參考電平為地電位。當(dāng)輸出一旦變?yōu)榈碗娖?，則同相端也同時(shí)跳變?yōu)楫?dāng)ui很負(fù)使u－<u+時(shí)，uo為高電平UoH此時(shí)，同相端電位u+為

當(dāng)ui由負(fù)逐漸增大到ui=U+′時(shí)，輸出將由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。?duì)于反相電路uo從高跳到低所對(duì)應(yīng)的ui電壓稱(chēng)為上門(mén)限電壓，記為UTH?？梢?jiàn)，UTH=U+′

由于，因而ui>以后，uo將維持在低電平。反之，ui由大逐漸變小時(shí)，由于同相端電位變?yōu)?/p>

因而ui必須小到時(shí)，輸出才由低電平跳變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)的輸入電壓稱(chēng)為下門(mén)限電壓，記為UTL。

UTL=電壓的傳輸特性曲線(xiàn)如圖所示：

由于其傳輸特性很像磁性材料的磁滯回線(xiàn)，

遲滯比較器的上、下門(mén)限電壓之差稱(chēng)之為回差，用ΔU表示。

回差ΔU的大小，將決定比較器的抗干擾能力，ΔU越大，則抗干擾能力越強(qiáng)，同時(shí)比較器的鑒別靈敏度降低。因?yàn)檩斎腚妷簎i的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。[例4].若ui=5sinωtV，R1=10k，R2=50k

，UCC=12V。試畫(huà)出反相遲滯比較器的輸出波形。解有干擾下的遲滯比較器輸出波形2）.同相遲滯比較器電路如圖所示，當(dāng)ui很負(fù)，使u+<u－=0時(shí)，uo為低電平UoL。

此時(shí)，同相端電位u+為

當(dāng)ui由負(fù)增大到使U+′=0時(shí)，輸出將由低電平跳變?yōu)楦唠娖?。此時(shí)的ui即為上門(mén)限電壓UTH。輸出一旦變?yōu)楦唠娖?，則同相端也同時(shí)跳變?yōu)?0由上式解得反之，ui由正減小到使時(shí)，輸出將由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)的ui即為下門(mén)限電壓UTL。傳輸特性如圖所示。=0由上式解得[例5].若ui=5sinωtV，R1=10k，R2=60k

，UCC=12V。試畫(huà)出反相遲滯比較器的輸出波形。解振蕩器（又稱(chēng)波形產(chǎn)生器）是一種沒(méi)有輸入信號(hào)，在加電之后能自動(dòng)產(chǎn)生一定形狀、一定幅度和一定頻率波形的電路。根據(jù)產(chǎn)生波形的形狀不同，振蕩器可分為后者主要產(chǎn)生方波、三角波和鋸齒波等非正弦波。弛張振蕩電路的類(lèi)型非常多，本節(jié)只討論用集成運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩電路。3.2弛張振蕩器1.方波振蕩器

方波振蕩器是由運(yùn)放構(gòu)成反相遲滯比較器，再加一條RC充放電支路構(gòu)成。反相遲滯比較器的傳輸特性及其上、下門(mén)限分別為：1）.電路振蕩原理

加電后若uo=UoH，UoH通過(guò)R向C充電，ui增大，達(dá)到UTH時(shí)，uo跳變?yōu)榈碗娖健?/p>

uo=UoL后，C反向充電，ui減小，降到UTL時(shí)，uo又跳變?yōu)楦唠娖健撕笾貜?fù)以上過(guò)程，周而復(fù)始產(chǎn)生振蕩。++2）振蕩器電路中電容器端和輸出的電壓波形首先計(jì)算周期T。T=T1+T2，

T1=T2，T=2T1。根據(jù)三要素法：則振蕩頻率其中：3）計(jì)算振蕩頻率f0[例1].已知R1=R2=10kΩ，R=25kΩ，C=0.1μF。試求輸出方波的頻率fo。相位相反2.三角波-方波振蕩器電路組成原理替換1).反相比較器構(gòu)成的電路ui相位相同uo12）.同相比較器電路構(gòu)成的電路ui3）.振蕩頻率f0的確定

在T2時(shí)間內(nèi)，uC的變化量[例2].已知UCC=12V，R1=10kΩ，R2=20kΩ，R=50kΩ，

C=0.01μF。試求輸出uo1和uo2波形的幅度和頻率。解：3.3單片集成專(zhuān)用電壓比較器單片集成專(zhuān)用電壓比較器1.通用低速型(LM311/211/111)2.通用型/中速型(LM119)3.高精度/低失調(diào)/低功耗(LM339/239/139)4.高速/低功耗(MAX901~903)[例].

電壓比較器LM311構(gòu)成的整形電路如圖示。LM311電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=2MHz，fi3=5MHz的正弦信號(hào)，試問(wèn)輸出波形將有何變化。fi3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解3.4模擬開(kāi)關(guān)

浮地模擬開(kāi)關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來(lái)控制信號(hào)的通斷。

因此理想的模擬開(kāi)關(guān)，應(yīng)接通時(shí)導(dǎo)通電阻Ron要盡可能小，相當(dāng)于短路；而關(guān)斷時(shí)Ron要盡可能大，相當(dāng)于開(kāi)路。此外工作速度要快，各開(kāi)關(guān)間的隔離度要好。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)1.C