电压比较器原理

第二十四讲电压比较器一、概述二、单限比较器三、滞回比较器四、窗口比较器五、集成电压比较器一、概述1.电压比较器的功能：比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小。广泛用于各种报警电路和鉴幅。比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性uO＝f(uI)电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL；（2）阈值电压UT；（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向，即是从UOH跃变为UOL，还是从UOL跃变为UOH。3.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压T2T1UUU4.集成运放在比较器中的应用（非线性工作区）电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点1)净输入电流为02)uPuN时，uO＝＋UOMuPuN时，uO＝－UOM二、单限比较器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI0时uO＝－UOM;uI0时uO＝＋UOM集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入电压最大值为±UD1.过零比较器输出限幅电路为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH＝＋UZ1＋UD2UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝－UOL＝UZUOH＝UZUOL＝－UD不可缺少！期限流作用输出限幅电路uO＝±UZ（1）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法：（1）写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。（利用电压并联负反馈来实现）问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？vIOT234ttvOVOHOVOL传输特性uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波2.一般单限比较器得令,0PNI211REF212NuuuRRRURRRu（1）若要UT0，则应如何修改电路？（改变参考电压的极性）（2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？（将同相输入端与反相端所接外电路互换）（3）若要改变UOL、UOH呢？（改变输出端的限幅电路UZ的大小）REF12TURRUZOUU作用于反相输入端UREF—参考电压或称基准电压存在干扰时单限比较器的uI、uO波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。缺点：抗干扰能力差。解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。单限比较器的特点和应用[例8.2.1]在图8.2.6所示电路中，UZ=±6V，在图8.2.7中所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和图8.2.7所示电路的输出电压u02解图8.2.6为过零比较器图8.2.7为一般单限比较器。VURRU2REF21T图8.2.8例8.2.1波形图R1R2，得令PNO211PIN,uuuRRRuuuZOHZOLUUUUZ211TURRRU三、滞回比较器1.从反相输入端输入的滞回比较器电路1）计算阈值电压UT2）工作原理及电压传输特性（1）设uI＜－UT，则uN＜uP，uO＝+UZ。此时uP＝+UT，增大uI，直至+UT，再增大，uO才从+UZ跃变为－UZ。（2）设uI＞+UT，则uN＞uP，uO＝－UZ。此时uP＝－UT，减小uI，直至－UT，再减小，uO才从－UZ跃变为+UZ。ZOUUZ211TURRRU（3）综述：uo从+UZ跃变到-UZ的阈值电压为+UT；uo从-UZ跃变到+UZ的阈值电压为-UT；uI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化。UREF为参考电压；uI为输入电压；输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP=uN时，输出电压的状态发生跳变。ZF22REFF2FuRRRURRRuP比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图8.2.10滞回比较器2.加了参考电压的滞回比较器若uO=UZ，当uI逐渐减小时，使uO由UZ跳变为UZ所需的门限电平UT-ZF22REFF2FTURRRURRRU回差(门限宽度)UT：ZF22TTT2URRRUUU若uO=UZ，当uI逐渐增大时，使uO由+UZ跳变为-UZ所需的门限电平UT+ZF22REFF2FTURRRURRRU1.若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性2.若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3.若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？改变输出限幅电路UZ加参考电压UREF（将同相输入端与反相端所接外电路互换）四、窗口比较器RHIUuOMUOMURLIUuOMUOMU当uIURH时，uO1=－uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ。当uIURH时，uO2=－uO1=UOM，D2导通，D1截止；uO=UZ。当URLuIURH时，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。五、集成比较器1.集成电压比较器的主要特点和分类：1)具有较高的开环差模增益；2)具有较快的响应速度；3)具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4)具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型2.集成电压比较器的基本接法1)通用型集成电压比较器AD790(P435)引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。±5V双电源供电，逻辑电源为5V。±15V双电源供电，逻辑电源为5V。2)集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功能图8.2.16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性3)说明（1）单电源供电时，负电源端-VS应接地。（2）管脚8接逻辑电源，计作VLOgic，其值决定于负载所需高电平；为了驱动TTL电路，迎接+5V。（3）管脚5位锁存控制端，当它位低电平时，锁存输出信号。（4）电路中电容均为耦合电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动。图B中的510欧姆电阻是输出高电平时得上拉电阻。（5）集电极开路集成电压比较器LM119输出采用了“线与”。一般比较器不可以采用，否则当两个输出电压产生冲突时，会因输出回路电流国大造成器件损坏。③②①⑦④①②③⑧⑦CCVEEV特点：1.无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；2.可直接驱动集成数字电路；3.响应速度快；4.可具有选通端；5.电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。②③①⑦某型号集成比较器的等效电路讨论二已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（a）所示，试求解图（b）～（e）各电路的电压传输特性。求解过程：见西提解答的P251例8.1.9；P254的例8.1.10讨论三已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为5sinωt(V)，画出各电路输出电压的波形。你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？同相输入单限比较器反相输入滞回比较器窗口比较器讨论四：求解图示各电路的电压传输特性。图一：与P278的8.14的d图相似图二：与P278的8.14的e图相似课上讲解R1R8uIUREFR2R3UZNPuO状态翻转时，uP=uN=UREFREF212Z1IURRRURu即若UREF=012ZTRRUU则12ZTRRUU解：图一：与P278的8.14的d图相似212Z1IPRRRURuu传输特性OuIuOUT+UTUZUZU=UT+UT12Z2RRU