电压比较器1

第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.1电压比较器3.1.1电压比较器的基本特性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。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态。注意：在运算电路中所使用的“虚地”概念在非线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关uiur－＋CUCC－UEEuo0uiuourUoHUoL鉴别不灵敏区(a)(b)图3.1.1电压比较器的符号及传输特性第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关1.高电平(UoH)和低电平(UoL)电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(-UEE)。专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即UoH＝3.4V左右，UoL＝－0.4V左右。2.鉴别灵敏度在实际电路中，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图3.1.1(b)中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法实现对输入电平大小进行判别。Aud越大，则这个不灵敏区就越小，工程上称比较器的鉴别灵敏度越高。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.转换速度转换速度是比较器的另一个重要特性，即比较器的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。比较器的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。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.1.2电压比较器的开环应用––1.过零比较器令参考电平ur=0。若Ui＞0，uo=UoL若Ui＜0，uo=UoH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。问题：若参考电平ur≠0。而是接参考电压UREF，输出波形会有什么样的变化？第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3.1.2(a)过零比较器整形波形；(b)脉宽调制器输出波形第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关【例3.1.1】电路及输入信号波形分别如图3.1.3(a)、(b)所示，其中C为交流耦合电容，试分别画出和的波形图。iu1ou2ou第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.1.3迟滞比较器––正反馈比较器––1.一是输出电压转换时间受比较器翻转速度（压摆率SR）的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭(如图3.1.5(a)所示)；二是抗干扰能力差，如图3.1.5(b)所示，若ui在参考电压ur(=0)附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，直至ui远离ur值才稳定下来。如果对受干扰的uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3.1.5简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况(a)输出波形边缘不陡峭(b)受干扰情况第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关2.为了解决以上两个问题，可将比较器设置两个阈值，只要干扰信号不超过这两个阈值，比较器就不会跳变，从而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来的电压比较器称为迟滞比较器，或称施密特触发器。电路是在简单比较器基础上增加了正反馈电路实现的。正反馈也加快了翻转速度。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关211RRRUUFof正OHrHURRRU2111)R2将uo反馈到运放的同相端与R1一起构成正反馈，其正反馈系数F为上门限电压下门限电压OLrLURRRU211第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关该电路传输特性分析：因为信号加在运放反相端，所以ui为负时，uo必为正，且等于高电平UoH=UCC。此时，同相端电压(U+)为参考电平Ur1:CCoHoHfrURRRURRRUFUU21121111正(3.1.2)当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出将由高电平转换为低电平。我们称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电压，记为UTH。即CCoHrTHURRRURRRUU2112111(3.1.3)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关而后，ui再增大，uo将维持在低电平。注意此时比较器的参考电压Ur也将发生变化，即EEoLoLfrURRRURRRUFUU21121122)(正(3.1.4)可见，当ui由正变负的比较电平将是Ur2(负值)，故只有当ui变得比Ur2更负时，uo才又从低变高。所以，称Ur2为下门限电压，记为UTL，即EEoLrTLURRRURRRUU2112112(3.1.5)特点：输出端从高电平跳变到低电平对应的阈值电压与从低电平跳变到高电平对应的阈值电压不同！第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，因此称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上、下门限之差称之为回差，用ΔU表示：CCTLTHURRRUUU2112(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比较器的抗干扰能力。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关如图3.1.7所示。由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平上，当ui上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差ΔU，则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。，回差ΔU的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3.1.7迟滞比较器输出波形第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关2)电路如图3.1.8(a)所示，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有当同相端电压U+=U-=0时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与ui在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上门限电压和下门限电压分别为(3.1.7)(3.1.8)CCoHTLEEoLTHURRURRUURRURRU21212121第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关其传输特性如图3.1.8(b)所示。迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态，且具有记忆功能。图3.1.8(a)电路；(b)传输特性曲线第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关【例3.1.2】电路如图3.1.9(a)所示，输入电压ui的波形如图3.1.9(b)所示，试画出uo1、uo2的波形图。图3.1.9电路图与波形图第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解：A1为反相比例放大器，A2为反相输入迟滞比较器，传输特性如图3.1.10(a)、(b)所示。)(sin8sin6.1551Vttuuio波形如图3.1.9(c)所示。VUVUKKKUTLCCTH66101010波形如图3.1.9(d)所示。图3.1.10A1、A2传输特性第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.2弛张振荡器弛张振荡器即方波–三角波产生器。对于方波信号发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳。为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发生器称之为弛张振荡器。弛张振荡器必须是一个正反馈电路，它由两部分组成：一部分是状态记忆电路;另一部分是定时电路，即控制状态转换时间的电路。如图3.2.1所示，一般用迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关状态记忆单元定时单元图3.2.1弛张振荡器框图第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.2.1单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如图3.2.2(a)所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器，RC构成积分器即定时电路。其波形如图3.2.2(b)所示。图3.2.2单运放弛张振荡器电路及波形第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关假定输出为高电平(UoH)，且电容初始电压uC(0)=0，那么电容被充电，uC(t)以指数规律上升，并趋向UoH。此时，运放同相端电压U+为CCoHoHURRRURRRUFU212212正(3.2.1)该电压为比较器的参考电平。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。我们将此时的U+记为高门限电压UTH：212THoHoHRUFUURR正(3.2.2)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关一旦Uo变为低电平，电容开始放电，后又反充电，uC以指数规律下降，并趋向UoL。但是，因为此时的U+变为另一个参考电平(下门限电压)2122oLEEoppoHoLCCRUFUURRUUUU正当uC下降到UTL时，输出又从低电平跳变到高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为(3.2.3)(3.2.4)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关电容电压uC(t)为近似的三角波，其峰峰值为2122CppTHTLCCRUUUURR(3.2.5)因为电容充电和放电时常数均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。现在来计算振荡频率f0。首先计算时间T1。如图3.2.2(b)所示，根据三要素法，电容电压uC(t)为tCCCCeUUUtu)]0()([)()((3.2.6)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关212211120()CoHCCCTLoLCTHoHUUURUUURRRCRtTuTUURR趋向值：（）初始值：（）时常值：转换值：当时，(3.2.7)将式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得THoHTLoHUUUUTln2第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关改变时常数RC及正反馈系数，比值均可改变振荡频率。00202111,2122ln(1)ffTTfRRCR振荡频率故为(3.2.8)21RR即第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.2.2双运放构成的弛张振荡器如图3.2.3所示，运放A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器。A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成三角波，反过来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，其波形如图3.2.4所示。图3.2.3双运放方波–三角波振荡器第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3.2.4双运放方波–三角波振荡器输出波形第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关1.uo1和uo21)uo1由图可见，uo1的高电平UoH=UCC，低电平UoL=-UEE，所以其峰峰值为2oLppCCUU(3.2.9)uo2为三角波。当uo1为高电平时，C充电，充电电流(α为电位器RW的分压比)，uo2随时间线性下降。再看A1，其反相端接地，当U+过零时，A1输出状态翻转，而U+等于uo1和uo2的叠加，即RUioHC第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关122121211022220oHoomoHCCRRUUUURRRRRRuUUURR2)uo2同理，当uo2为低电平时，C反充电，充电电流，uo2随时间线性上升，当U+再次过零时，算出RUioLC第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关12212121102022212202oLomoLEEoppCCRRUUuURRRRRRuUUURRRUUR(3.2.10)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关2.频率f0我们知道，在T1时间间隔内，电容C的电压增量由式ΔUC=ΔQ/C计算得122CCCRUUR112112201111221124CCCCCCURQUUidtTRCCCRRCRTRRfTTRCR(3.2.11)第3章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.3单片集成专用电压比较器1.通用低