02模电实验14电压比较器w1

实验四电压比较器一、实验目的1．了解电压比较器与运算放大器的性能区别；2．掌握电压比较器的结构及特点；3．掌握电压比较器电压传输特性的测试方法；4．学习比较器在电路设计中的应用。二、实验原理1．电压比较器与运算放大器电压比较器（简称为比较器）是对输入信号进行鉴幅和比较的集成器件，它可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。可用作模拟电路和数字电路的接口，也可用作波形产生和变换电路等。比较器可视为一种特殊的运算放大器，比较器的输入为两路模拟信号，输出为二进制数字信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。有时也将比较器称为1位A/D转换器。比较器的传输函数如图4.1所示。从比较器传输函数中可知：当InIn时，输出Out为高；当InIn时，输出Out为低。在实际应用中，可以将In（或In）中的一个输入端作为固定参考电压，另一个输入被测量电压信号围绕参考电压上下波动，比较其两者大小。图4.1比较器的传输函数比较器看起来像是开路结构中的运算放大器，但比较器和运算放大器在电气性能参数方面有许多不同之处。运算放大器在不加负反馈时，从原理上讲可以用作比较器，但比较器的响应速度比运算放大器快，传输延迟时间比运算放大器小，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS等数字集成电路。切勿将比较器当作运算放大器使用，因为比较器是为无负反馈的开环结构工作所设计的电子器件，为了提高响应时间，通常比较器因其内部没有相位补偿电路，如果接入负反馈，电路不能稳定工作。另外，某些比较器为集电级开路输出结构。许多比较器还带有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使其不能当作运算放大器使用。运算放大器是一种为在负反馈条件下工作所设计的电子器件，其设计重点是保证在负反馈条件下的稳定性，压摆率和最大带宽等。通常运算放大器的开环增益非常高，在开环情况下只能处理输入差分电压非常小的信号。当需要将运算放大器作为比较器使用时，首先需要确定运算放大器是否具有限制输入引脚之间电压的内部电路（如反并联二极管），以确保不会超过最大绝对差动输入电压；其次由于作为开环比较器使用的运算放大器总是处于饱和状态，需要考虑其饱和时间与恢复时间，在开环情况下，运算放大器的响应时间与比较器相比会慢得多。与运算放大器一样，比较器输入级也具有诸多特性，如失调电压、偏置电流以及共模电压范围。只有当其影响到开关点时，这些参数的值才会引起我们的关注。比较器与运算放大器的比较如表4.1所示。表4.1比较器与运算放大器比较参数名称比较器运算放大器速度（响应时间）YesNo逻辑输出YesNo宽电压输入范围YesYes低失调漂移NoYes2．比较器电路设计要注意以下几方面：(1)比较器的输出结构：集电极开路(Open-Drain/Collector)输出需要通过上拉电阻器与逻辑电源相连，可以与各种逻辑器件系列相连接；推挽式（Push-Pull）输出不需要上拉电阻器。由于输出在轨至轨之间摆动，因此，逻辑电平取决于比较器的电源电压。(2)比较器的响应时间（传输延迟）：在要求实时相应高的应用场合，应采用纳秒(ns)级延迟的比较器。但随着延迟的缩短，供电电流将会增加。通常在性能与可承受的功耗之间进行折衷。TLV349x系列提供了速度/功耗的独特组合，静态电流为1μA时延迟仅有5μs。(3)比较器和运算放大器的组合：当要求在比较器之前实现DC电平切换和/或增益的输入信号，可采用TLV230x(漏极开路型)或TLV270x(推挽式)运算放大器与比较器的组合,这种双功能器件能够减小占用空间和降低产品成本。(4)比较器和电压基准：典型的比较器需要与一个基准电压来进行比较。为了节省空间，可采用TLV301x内带1.242V参考电压基准的比较器。(5)通过正反馈加入迟滞：单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。当被用于如高速计数器电路时就会带来许多错误的计数。例如，在单门限电压比较器电路中，当输入电压中含有噪声或干扰电压（如比较器自身的失调电压）时，会如图4.2所示在参考电平附近出现干扰，输出将时而为高电平，时而为低电平，导致比较器输出不稳定。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器，使得单门限电压变双门限。就带推挽式输出级的比较器而言，利用滞后功能则可以解决这一问题。以单电源供电的TLV3501为例，其失调电压范围为±5mV，在这个范围内比较器对噪声的抵抗能力很差，很容易出现误动作，因此，TLV3501内建有6mV的迟滞，通常情况下，6mV的迟滞已经够用了，但当电路噪声较大或被比较信号频率过低、变化过于缓慢的时候，可如图4.3所示添加迟滞功能网络，以增强比较器抵抗干扰的能力，避免出现毛刺和误触发。由于VOH＝V+=5V，VOL＝0V，双门限分别为VREF和VREF+VHYST。图4.2比较器噪声图4.3迟滞功能网络3．比较器电路及其简单应用(1)过零电压比较器电路图4.4过零电压比较器电路过零电压比较器是电压比较电路的基本结构，它可将交流信号转化为同频率的双极性矩形波，常用于测量正弦波的频率、相位等。由LM311电压比较器构成的过零电压比较器电路如图4.4所示。过零电压比较器的输入信号inV接比较器的同相输入端，反相输入端接地V0。当输入电压V0inV时，输出OLoutVV；反之，当输入电压V0inV时，输出OHoutVV。LM311比较器为一款性能良好的集电极/发射极开路输出、低功耗、带平衡或选通的差动比较器，其具有设计运行在更宽的电源电压+5~±15V、最大输入偏置电流为250nA、最大失调输入电流50nA，差分输入电压可达30V、输出兼容RTL、DTL、TTL以MOS电路、可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA等特点。在使用时需对集电极/发射极开路输出做出合适的连接。(2)基本单门限比较器电路图4.5基本单门限比较器电路由LM311电压比较器构成的基本单门限比较器电路如图4.5所示。单门限比较器的输入信号inV接比较器的同相输入端，反相输入端接参考电压（门限电平）refV。当输入电压refinVV时，输出为高电平OHV；当输入电压refinVV时，输出为低电平OLV。单门限比较器在设计时需注意的是输入阻抗要尽量低，另外，由于此电路是以开环增益方式工作，在输出翻转变化期间若混入噪声，极易引起电路的误动作，在实验电路中需特别注意。(3)正基准电压的单电源比较器电路图4.6正基准电压的单电源比较器电路由LM339电压比较器构成的正基准电压的单电源比较器电路如图4.6所示。LM339比较器芯片内部含有四个独立的比较器，其具有工作电源电压范围宽（单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V，双电源：±1～±18V）、消耗电流小（Icc=0.8mA）、输入失调电压小（VIO=±2mV）、共模输入电压范围宽（VIC=0～VCC-1.5V）、差动输入电压范围较大（可等于电源电压）、采用集电极开路输出结构（输出可与TTL、DTL、MOS、CMOS等器件相连接，并可实现线与）等特点。上述如图4.4所示的过零电压比较器电路，如图4.5所示的基本单门限比较器电路和如图4.6的正基准电压的单电源比较器电路都是将基准电压连接至反相输入端，并将信号电压连接至同相输入端，然而实际上电压比较器却是利用两输入端子之间的差动输入电压动作，因此信号电压与基准电压即使任意互换，除了输出的动作会反相外，对电路并不会造成任何问题。(4)迟滞比较器图4.7上行迟滞比较器电路迟滞比较器又称为滞回比较器或施密特触发器，迟滞比较器可理解为加正反馈的单限比较器。在绝大多数比较器中都设计带有滞回电路，通常滞回电压为5mV到10mV。内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡，却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。迟滞比较器就是在电路中引入正反馈，增加外部滞回，正反馈的作用是确保输出在一个状态到另一个状态之间的快速变化，以提高系统的抗干扰性能。迟滞比较器具有迟滞回线形状，两个门限电压，分别称为上门限电压THV和下门限电压TLV，两者差为门限宽度或迟滞宽度TV，即：TLTHTVVV(1)迟滞比较器的同相输入端接输入电压，反相输入端接参考电压，当输入电压从低值达到超过上门限电压THV时，比较器输出从低的OLV到高的OHV翻转，称为同相滞后比较器，或称为上行迟滞比较器；反之，迟滞比较器的反相输入端接输入电压，同相输入端接参考电压，当输入电压从低值达到超过上门限电压THV时，比较器输出从高的OHV到低的OLV翻转，故称为反相滞后比较器，或称为下行迟滞比较器。上行迟滞比较器电路如图4.7所示。迟滞比较器的输出电压outV与输入电压inV不成线性关系，根据输出电压outV的不同值(OHV或OLV)，同相滞后比较器的上门限电压THV和下门限电压TLV分别为：OLrefTHVRRVRRV32321(2)OHrefTLVRRVRRV32321(3)OLOHTVVRRV32(4)可以通过改变R3的阻值调节TV的范围。同理，反相滞后比较器的上门限电压THV和下门限电压TLV分别为：OHrefTHVRRRVRRRV322323(5)OLrefTLVRRRVRRRV322323(6)OLOHTLTHTVVRRRVVV322(5)窗口比较器图4.8窗口比较器电路窗口比较器又称为双限比较器。窗口比较器的特点是当输入信号单方向变化时，可使输出电压outV跳变两次，即窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断inV是否处于上下两个门限电压之间。由两个LM393比较器组成的窗口比较器如图4.8所示。LM393比较器芯片内部含有两个独立的比较器，其主要参数与LM339基本相同。在窗口比较器中，当输入被比较的信号电压inV处于上下门限电压之间(21refinrefVVV)时，输出为高电位(OHoutVV)。当inV不在门限电位范围之间时，(2refinVV或1refinVV)输出为低电位(OLoutVV)，窗口输出电压宽度12refrefVVV。(6)三态电压比较器图4.9三态电压比较器电路由LM339比较器组成的三态电压比较器电路如图4.9所示。当输入1refinVV时，D2导通，D1截止，输出OLoutVV；输入12refinrefVVV时，D1、D2都截止，输出V0outV；2refinVV时，D1导通，D2截止，输出OHoutVV。三、器件的选择1．比较器的输出结构比较器的输出级主要有开路输出（包括：集电极开路(Open-CollectorOutputs)、集电极/发射极开路(Open-Collector/EmitterOutputs)、漏极开路(Open-DrainOutput)）和推挽式输出(Push-PullOutput)两种输出电路结构。(1)集电极开路输出：集电极开路输出比较器的电路结构如图4.10所示。TI公司的集电极开路输出比较器产品有LM339、LM393、LMV331等。集电极开路的比较器在使用时，需要外接上拉电阻R_PLL，上拉电阻与逻辑电源Vs+相连，逻辑电源的电压值，决定了比较器的可输出电压值。采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接，并可实现线与逻辑。(2)集电极/发射极开路输出：集电极/发射极开路输出比较器的电路结构如图4.11所示。TI公司的集电极/发射极开路输出比较器产品有：LM311、LP311等。集电极/发射极开路输出的比较器均需要外接上拉或下拉电阻R_PLL，采用上拉电阻与逻辑电源Vs+相连或采用下拉电阻与逻辑电源Vs-相连，逻辑电源的电压值，决定了比较器的可输出电压值。采用集电极开路输出的比较器可与各种逻辑器件系列连接，并可实现线与逻辑。(3)漏极开路输出：漏极开路输出比较器的电路结构如图4.12所示。TI公司的漏极开路输出比较器产品有：TLC