模拟电子电路及技术基础 第三章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关

第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关本章重点介绍电压比较器、弛张振荡器，简单介绍模拟开关。3.1电压比较器3.2弛张振荡器3.3单片集成专用电压比较器3.4模拟开关3.1电压比较电压比较器广泛用于“电压比较”、“电平鉴定”、“波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电路”以及“模/数变换”等。一、电压比较器的基本特性电路特点：开环或者引入正反馈，总体放大器工作于“非线性”状态，“虚短路”和“虚地”概念不适用。输出：比较器输出只有两个状态，“1”或是“0”。功能：电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。电压比较器一般是开环工作，其增益很大。电压比较器的符号及传输特性电压比较器的符号电压比较器的传输特性电压比较器的输入输出关系：rioHrioLouuuuuuu电压比较器的输出要么为高电平“1”，要么为低电平“0”，因此电压比较器可作为模/数转换器。1、高电平(UoH)和低电平(UoL)电压比较器的性能指标专用比较器的输出电平：CCoHUuEEoLUuV4.3oHuV4.0oLu2、udAUuCCidmaxudAUuEEidmin3.转换速度：比较器的输出状态产生转换所需的时间),(idmaxidminiduuu),(oHoLoUUu（不灵敏区）一般要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。转换速度与器件压摆率SR有关，SR越大，输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度越高。二、电压比较器的开环应用––简单比较器这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。1.若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化，从而实现脉宽调制。2.例3.1.1电路和输入信号如图，试分别画出uo1和uo2的波形。iuouA1+-+-A2+-1R2RRRCo1u12V-12V12V-12V10k10k3k50kF102VrU解：隔直存在问题：三、迟滞比较器——正反馈比较器——1、turt00干扰错误跳变uouit0uo一是压摆率的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭二是抗干扰能力差2、迟滞比较器电路及传输特性1)在简单比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。+-R1R2RuiufuoA电源供电电压UCC和-UEE0iuCCoHoUUuCC211oH2111f1rURRRURRRUU0ou当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出由高电平转换为低电平。称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电平UTHCC211oH2111rTHURRRURRRUU由于参考电位的变化，若输入一直为正，则输出不再发生变化，只有当输入比参考电位更负，输出才发生跳变，由低电平变为高电平。此时对应的参考电位为下门限电平UTL。EE211r2TLURRRUU此后ui继续增大，uo一直维持在低电平。此时参考电压为：EE211oL2111fr2URRRURRRUU综上所述，迟滞比较器的传输特性如图rHUiuou0ouiurLU0oLUoHUrHUiuou0rLU+CC211TLTH2URRRUUU回差电压：U2)0iuEEoLoUUu0o211i212URRRURRR0ou同相输入迟滞比较器电路如图R2+-R1uiuoA当ui极性变正且同相端电压U+=U-=0时，输出状态才可能由负UOL向正UOH发生跳变。即：0o211TH212URRRURRREE21OL21THURRURRU同理：CC21OH21TLURRURRUoLUoHUrHUiuou0rLU同相输入迟滞比较器传输特性1、具有很强的抗干扰能力2、正反馈加速了状态转换，改善了输出波形的边缘迟滞比较器的特点：3、具有两个状态，且具有记忆功能迟滞比较器又称为施密特触发器或者双稳态电路。例3.1.2电路如图(a)，输入波形如图(b)，试画出uo1和uo2的波形。R2+-R1uiuo1A1+-A23k10k10k1k5kuo2-12V-12V12V12Vui1.6V-1.6Vt0解：ui1.6V-1.6Vt01、电路组态分析A1组成反相比例放大器tuusin85io16V10k10k10kCCTHUU6V10k10k10kEETLUUA2组成反相输入迟滞比较器uo18V-8Vt0UTH=6VUTL=-6Vt0uo23.2弛张振荡弛张振荡器是方波-三角波产生器，对于方波信号，其状态有时维持不变，有时发生突跳。为区别正弦振荡器而称之为弛张振荡器。电路特点：正反馈电路，由两部分组成：一部分为状态记忆电路，一部分为定时电路，用来控制状态转换的时间。状态记忆单元定时单元弛张振荡器框图一、单运放弛张振荡器单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如图所示R+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R1UoHR2+R2R1UoLR2+R2R1UoHUoLTT/2T1T2uo(t)uc(t)tt2t1uc(t)0单运放弛张振荡器及其波形单运放弛张振荡器特性分析CC212oH212oHURRRURRRUFU正假定输出为高电平，且电容出示电压为uc(0)=0，则电容按指数规律充电，并趋向UoH，此时U+为：当uC上升到该电平值时，即U-=U+，则输出状态要发生翻转，即由高电平跳变到低电平UoL。此时的U+记为高门限电压UTH：比较器参考电压oH212oHTHURRRUFU正由高电平跳变到低电平UoL时，电容开始放电，并反向充电，并趋向UOL，此时参考电压为：EE212oL'URRRUFU正TLU定义CCoLoHopp2UUUU当电容电压uc(t)下降到UTL时，输出从低电平跳变为高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为：由于RC不是理想的积分器，因此电容电压uC上近似为三角波，其峰峰值为：CC212TLTHCpp2URRRUUU由于电容充放电时间常数都为T=RC，因此T1=T2，占空比为D=T2/T1=50%。分析计算振荡频率f0THoHTLoHUUUUTln2当t=T1时，发生转换：其中：根据三要素法，电容电压为：teUUUtu)0()()()(CCCcCCUUUoHC)(oL212TLC)0(URRRUURCoH212TH1c)(URRRUTu从而振荡频率为：122021ln21211RRRCTTf12V||CCoLoHomUUUU例3.2.1电路如图，设C=0.1μF，R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,试求uo(t)和uc(t)的波形幅度和频率。解：91Hz21ln21120RRRCfR+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R13)振荡频率为：1）uo(t)为方波，其幅值为：2）uc(t)近似为三角波，其幅值为：6V12V10k10k10k||oH212CLCHURRRUU二、双运放构成的弛张振荡器双运放方波-三角波振荡器电路特点：A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器理想积分器保证电容恒流充放电，因而三角波线性很好。电路工作原理：A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成线性度很好的三角波，三角波又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡。uo2R2CR1A1A2RWRuo1+-+-UCCUCC-UEE-UEEUoLuo1t0T1T2UoHuo2t0双运放方波–三角波振荡器的输出波形Uo2mU’o2mUoLuo1t0T1T2UoHuo2t0Uo2mU’o2m0o2212oH211UURRRURRRUuo2为三角波，当uo1为高电平时，C充电电流为ic=αUoH/R，uo2随时间线性下降。A1反相端接地，当U+过零时，A1输出状态发生变化，a)uo1的幅度1）uo1和uo2的幅度计算EEOLCCOHo1UUUUu，低电平的高电平CCo1PP2UU故CC21oH21o2mo2URRURRUU0o2212oL211'UURRRURRRU当uo1为低电平时，C反充电，充电电流为ic=αUoH/R，uo2随时间线性上升。当U+再次过零时，有：b）uo2的幅度故EE21oL21o2m''o2URRURRUU因此CC21o2pp2URRU当R1R2时，三角波的幅度将超过方波的幅度。CC21C2URRU在T1时间间隔内，电容C的电压增量为：2）频率fo的计算1CCCC21C11Δ2TRUCdtiCCQURRUC2112RRCRT12104211RCRRTTf结论：通过改变分压比可以改变恒流充放电电流，从而可以微调振荡频率。3.3运放作为电压比较器存在问题：响应速度慢，转换时间和延迟时间太长。专用单片集成电压比较器的响应速度非常快，其转换时间仅为1-3ns。专用单片集成电压比较器可以作为模拟电路和数字电路的接口电路，输出电平与TTL、CMOS或ECL兼容，专用单片集成电压比较器有单比较器、双比较器和四比较器。3.4模拟开模拟开关是电子系统中常用的基本单元，主要控制信号的通断。理想模拟开关的特性是：接通时相当于断路，关断时相当于开路，工作速度快，开关间的隔离度好。模拟开关可以有双极性晶体管组成，也可以由MOS场效应管组成。CMOS模拟开关：电路简单，功耗小，导通电阻小，关断电阻大的特点，因而应用广泛。模拟开关可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，是一种模拟器件。一、常用的模拟开关1、CC4066模拟开关：4个独立的CMOS双向模拟开关。2、CD4051模拟开关：单刀多掷的模拟开关。3、MAX4661模拟开关：4个独立的单刀单掷模拟开关。二、模拟开关的应用1、增益控制2、脉冲调制3、时分多路数据采集欢迎提任何问题