第7章 電壓比較器

7.4.1

簡(jiǎn)單電壓比較器7.4.2

遲滯比較器7.4.3

窗口比較器第七章信號(hào)的非線性處理1電壓比較器的主要作用是進(jìn)行電平檢測(cè)。第一節(jié)簡(jiǎn)單電壓比較器利用電壓比較器進(jìn)行電平檢測(cè)波形示意圖tuI0uO0tuR參考電壓2

功能:比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系);

用途：可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作電平檢測(cè)、波形產(chǎn)生和變換電路等。2．運(yùn)放的工作狀態(tài)

比較器電路中的運(yùn)放一般在開環(huán)或正反饋條件下工作，運(yùn)放的輸出電壓只有正和負(fù)兩種飽和值，即運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。在這種情況下，運(yùn)放輸入端“虛短”的結(jié)論不再適用，但“虛斷”的結(jié)論仍然可用。1．電壓比較器的功能3

常用的電壓比較器有：零電平比較器(過零比較器)非零電平比較器(單限比較器)遲滯比較器（滯回比較器）窗口比較器(雙限比較器)3．電壓比較器的類型簡(jiǎn)單比較器4

（1）閾值電壓：比較器輸出發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓稱之為閾值電壓或門限電平。

（2）輸出電平：輸出電壓的高電平和低電平。

（3）靈敏度：輸出電壓跳變的前后，輸入電壓之差值。其值越小，靈敏度越高。然而，靈敏度越高，抗干擾能力就越差。零電平和非零電平比較器的靈敏度取決于運(yùn)放從一個(gè)飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)飽和狀態(tài)所需輸入電壓的值，而遲滯比較器的靈敏度等于兩個(gè)閾值電壓之差值。因而，遲滯比較器的抗干擾能力強(qiáng)。

（4）響應(yīng)時(shí)間：輸出電壓發(fā)生跳變所需的時(shí)間稱之為響應(yīng)時(shí)間。4、電壓比較器的性能指標(biāo)55．電壓比較器的分析方法若U-＞U+

則UO=-UOM；若U-＜U+

則UO=+UOM。

只有當(dāng)U-=U+時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變；反之，若輸出發(fā)生跳變，必然發(fā)生在U-=U+的時(shí)刻。虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）注意：此時(shí)不能用虛短！Ui=U--U+uo+UOM-UOM理想情況實(shí)際情況電壓比較器在輸出狀態(tài)跳變過程中，運(yùn)放可視為在線性區(qū)工作。按理想情況分析6uoU+-U-0+UOM-UOM++uoU+U_uo0+UOM-UOMU--U+注意：稱之為同相比較器稱之為反相比較器7++uouiURuoui0+Uom-UomURUR為參考電壓

(閾值電壓：P285定義)當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-Uom

一、非零電平比較器若ui

從同相端輸入（同相電壓比較器）8++uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-Uom

若ui從反相端輸入電壓比較器（反相電壓比較器）9uREF為參考電壓，根據(jù)比較器在臨界狀態(tài)條件可求得電路的閾值電壓。圖1：圖1電壓比較器10圖2：圖2uT應(yīng)用：電平顯示器、逐次比較A/D等。+UoH-UoLVTvovi0電壓比較器11uoui0+UOM-UOM++uoui:當(dāng)UR=0時(shí)++uouiuoui0+UOM-UOM電壓比較器二、零電平比較器12++uouituituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。問題：若反相端不是接地，而是接參考電壓VREF，輸出波形會(huì)有什么樣的變化？電壓比較器13++uiuoui0+UZ-UZuoUZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了正向壓降UF電壓比較器用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓14為了限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓，保護(hù)其輸入級(jí)，可加二極管限幅電路。作用：a）使Uo∠0時(shí)的輸出更接近0；b）DZ有存儲(chǔ)效應(yīng)，D的跳變速度快，使輸出接近矩形波。D※15

遲滯比較器（滯回比較器、滯環(huán)比較器、

施密特觸發(fā)器）單限比較器的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。但是，主要缺點(diǎn)是抗干擾能力差。如果輸入電壓因受干擾或噪聲的影響，單限比較器的輸出端電壓將會(huì)在高、低兩種電平之間頻繁地反復(fù)跳變，使電路不能穩(wěn)定工作。波形示意圖如右所示：?jiǎn)蜗薇容^器的優(yōu)缺點(diǎn)：tuI0uO0t門限電平+(UZ+UD)-(UZ+UD)16一.遲滯比較器(下行)特點(diǎn):電路中使用正反饋和uo相連，而uo有兩個(gè)值，所以對(duì)應(yīng)的U+就有兩個(gè)值。故閾值電壓就有兩個(gè)值。（反相遲滯比較器）－++uoRR2R1uiUR1.電路結(jié)構(gòu)172.閾值估算臨界跳變時(shí)：根據(jù)疊加原理，有：當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=-UOM)：－++uoRR2R1uiuR遲滯比較器當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=UOM)：18這時(shí),設(shè)初始值:遲滯比較器uoui0uT1uT2傳輸特性+UOM-UOM3.電壓傳輸特性－++uoRR2R1uiUR19uoui0+Uom-UomuT1uT2遲滯比較器傳輸特性當(dāng)時(shí)，傳輸特性即為如圖曲線；特點(diǎn)：輸出端從高電平跳變到低電平對(duì)應(yīng)的閾值電壓與從低電平跳變到高電平對(duì)應(yīng)的閾值電壓不同！輸入信號(hào)單方向變化時(shí)，只與一個(gè)閾值電壓比較20tuiuT1uT2tuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+遲滯比較器例1:設(shè)輸入為正弦波,畫出輸出的波形。uoui0+Uom-UomuT1uT2假設(shè)開始時(shí)UO為UOM想想:假設(shè)開始時(shí)UO為–UOM?21

R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiUR上下限：=10V=2V遲滯比較器例2：uit222V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0uT1uT2傳輸特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR遲滯比較器2V10Vtt232.閾值估算臨界跳變時(shí)：根據(jù)疊加原理，有：當(dāng)正飽和時(shí)()：遲滯比較器當(dāng)負(fù)飽和時(shí)()：－++uoRR2R1uiuR二.遲滯比較器(上行)（同相遲滯比較器）

1.電路結(jié)構(gòu)24這時(shí),設(shè)初始值:遲滯比較器3.電壓傳輸特性－++uoRR2R1uiuRUT1UT2uoui0UoM-UoM25uT1uT2uoui0Uom-Uom傳輸特性曲線－++uoRR2R1ui上下門限電壓遲滯比較器當(dāng)時(shí)，傳輸特性即為如圖曲線；26－++uoRR2R1uiURuT1uT2uoui0Uom-Uom遲滯比較器兩種電路結(jié)構(gòu)和傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiURuoui0uT1uT227滯回比較器可以組成矩形波、鋸齒波等非正弦信號(hào)發(fā)生電路，也可以實(shí)現(xiàn)波形變換。與單限比較器相比，滯回比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。波形示意圖如右所示：tuI0uO0t正向門限電平+UZ-UZUT-UT+負(fù)向門限電平滯回比較器的主要優(yōu)點(diǎn)28tuI0uO0t正向門限電平+UZ-UZUT-UT+負(fù)向門限電平干擾太大，滯回功能會(huì)失效29

輸出電壓高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值；閾值電壓的數(shù)值UH（U+H、U+L）；當(dāng)ui

變化且經(jīng)過UH時(shí)，uO躍變。躍變的方向決定于同相比較器還是反相比較器。

為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個(gè)要素：注意：30電壓比較器是一種常見的模擬信號(hào)處理電路，它將一個(gè)模擬輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，為數(shù)字量；而輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，因此比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的“接口”。31在如圖所示電路中，R1=R2=5kΩ，基準(zhǔn)電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±5V，輸入電壓為如圖所示的三角波，試畫出輸出電壓。[例1]電壓傳輸特性的趨勢(shì).UT的具體值有待下面求得.無正反饋,單閾值32解：令uN=uP=0，則求出閾值電壓所以畫出輸出波形如圖所示：33134在左圖（a）所示電路中，已知R1=50kΩ，R2=100kΩ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±9V，輸入電壓uI的波形如右圖（a）所示，試畫出輸出電壓uo的波形。[例2]有正反饋,雙閾值35解：輸出高電平和低電平分別為UZ=±9V，閾值電壓畫出電壓傳輸特性如圖（c）所示。根據(jù)電壓傳輸特性便可畫出uo的波形，如圖（b）所示。從波形可以看出，uI的變化在±UT之間時(shí)，uo不變，表現(xiàn)出一定的抗干擾能力。兩個(gè)閾值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強(qiáng)，但靈敏度變差；因此應(yīng)根據(jù)具體需要確定差值的大小。三要素法：36限幅電路概述及二極管鉗位作用1.限幅電路概述限幅電路又叫鉗位電路，特點(diǎn)是當(dāng)輸入大到一定范圍后，輸出不再隨輸入的增大而變化，而保持在某個(gè)固定值上。這種特性不僅用于信號(hào)的處理和運(yùn)算中，也廣泛用于過載保護(hù)中。限幅電路按是否帶運(yùn)放分為有源和無源兩種。由于運(yùn)放具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)，所以帶運(yùn)放的有源限幅器可使信號(hào)源和負(fù)載之間有良好的隔離作用。但是由于受運(yùn)放頻率相應(yīng)的限制，接入運(yùn)放后，電路的工作頻率變窄。限幅電路37限幅器的主要技術(shù)指標(biāo)是限幅門限值和限幅系數(shù)，結(jié)合下圖來說明。1.下限限幅門限值Vth-2.上限限幅門限值Vth+3.下限限幅電壓VL4.上限限幅電壓VH術(shù)語5.限幅區(qū);上、下限幅區(qū)6.傳輸區(qū)7.限幅系數(shù)KLI有兩個(gè)限幅區(qū)，傳輸區(qū)夾在兩個(gè)限幅區(qū)之間，具有這種傳輸特性的限幅器叫雙向限幅器。只有一個(gè)傳輸區(qū)和一個(gè)限幅區(qū)的限幅器叫單向限幅器。若限幅區(qū)夾在兩個(gè)傳輸區(qū)之間則稱區(qū)間限幅器。382.二極管的鉗位作用二極管鉗位如下圖所示，該電路為串聯(lián)限幅。單向限幅器1.單運(yùn)放二極管單向限幅器二極管限幅器就是利用二極管單向?qū)щ娦蕴匦詷?gòu)成的，如下圖，為并聯(lián)限幅。39Ui<UR

，D截止Ui

>UR，D導(dǎo)通，限幅電壓為：40由于則上限限幅門限電壓值Vth+為：2.穩(wěn)壓管單向限幅器穩(wěn)壓管單向限幅器如圖所示。有415.6.3

雙向限幅器1.單運(yùn)放二極管雙向限幅器把二極管和電阻分壓組合起來，并接在運(yùn)放的反饋回路中，就組成了普通二極管雙向限幅器。二極管雙向限幅器電路及傳輸特性如圖所示。由于輸入信號(hào)Ui變化時(shí)，二極管D1、D2有三種組合，從而電路輸出形成三個(gè)區(qū)間。421）傳輸區(qū)：D1、D2截止，電路為反相比例放大電路。等效電路如圖(a)所示。432）上限幅區(qū)：Ui正向增大，使D1導(dǎo)通、D2截止，電路開始工作在上限幅區(qū)。等效電路如圖(b)所示。443）下限幅區(qū)：Ui負(fù)向變化時(shí)，使D1截止、D2導(dǎo)通，電路開始工作在下限幅區(qū)。等效電路如圖(c)所示。2.雙運(yùn)放二極管雙向限幅器雙運(yùn)放二極管雙向限幅器的電路形式較多，詳見相關(guān)資料。453.單運(yùn)放穩(wěn)壓管雙向限幅器單運(yùn)放穩(wěn)壓管雙向限幅器電路和傳輸特性如下圖所示。464.單運(yùn)放穩(wěn)壓管橋式雙向限幅器單運(yùn)放穩(wěn)壓管橋式雙向限幅器電路和傳輸特性如圖所示。二極管橋式電路和反饋電阻并接在運(yùn)放的反饋電路中，可提高電路的限幅精度，改善正負(fù)限幅電壓的對(duì)稱性。當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，加在橋路上的電源電壓為+VCC，-VEE通過R4和R5使穩(wěn)壓管DZ導(dǎo)通，而D1~D4均截止。設(shè)R4=R5=R，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為VZ，流過穩(wěn)壓管的電流為：47該電流即為起始電流。適當(dāng)選取電流值，就不會(huì)使穩(wěn)壓管在工作過程中進(jìn)入反向擊穿待性的起始段，而永遠(yuǎn)工作在特性的陡直線段上，從而提高了限幅精度。48設(shè)計(jì)一個(gè)電壓比較器，使其電壓傳輸特性如圖（a）所示，要求所用電阻值在20~100kΩ之間。※討論題3解：根據(jù)電壓傳輸特性可知，輸入電壓作用于同相輸入端，而且uo=UZ=±6V，UT1=UT2=3V，電路沒有外加基準(zhǔn)電壓，故電路如圖（b）所示。求解閾值電壓的表達(dá)式：49所以，若取R1為25kΩ，則R2應(yīng)取為50kΩ；若取R1為50kΩ，則R2應(yīng)取為100kΩ。故本題有無問題？問題在哪里？請(qǐng)改正之！※50了解

雙限比較器（窗口比較器）其中：UA>UBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下門限上門限單限比較器和滯回比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)給定電壓VA、VB之間，而窗口比較器具有這一功能。其電路及傳輸特性曲線如右下圖所示：51由圖可知：當(dāng)uI<UB時(shí)：

A1的輸出端為低電平；A2的輸出端為高電平，則二極管D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓uO為高電平。特性曲線如右圖所示：

雙限比較器的工作原理RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下門限上門限其中：UA>UB注意:連接高低通止下臺(tái)階上臺(tái)階UOA2UOA152當(dāng)uI>UA時(shí)：A1的輸出端為高電平，A2的輸出端為低電平，則二極管D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓uO也是高電平。

特性曲線如右圖所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下門限上門限其中：UA>UB雙限比較器工作原理低高止通53當(dāng)UB<uI

<UA時(shí)；

A1

、A2的輸出端均為低電平，兩個(gè)二極管均截止，輸出電壓uO為低電平。特性曲線如右圖所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下門限上門限其中：UA>UB雙限比較器工作原理54雙限比較器及其傳輸特性動(dòng)畫55由兩個(gè)簡(jiǎn)單比較器組成的窗口比較器（a）電路圖（b）傳輸特性注意:連接法56窗口比較器應(yīng)用

——三極管

值分選電路用雙電壓比較器LM393設(shè)計(jì)一個(gè)β值分選電路，要求當(dāng)被測(cè)三極管的β<150或β>250，

LED不亮，表示不合格；當(dāng)150<β<250，LED亮，表示合格。已知電源電壓Vcc=12V，三極管集電極電阻R2=2K。uO0uIU2U1下門限上門限571、根據(jù)題意要求，設(shè)計(jì)與計(jì)算Rb的阻值，調(diào)節(jié)W1使Rb回路總阻值等于設(shè)定值并連接好電路。2、根據(jù)Rb取值和被測(cè)晶體管

值范圍計(jì)算出Uc的正常范圍，按照Uc的變化范圍在萬用表幫助下調(diào)節(jié)W2、W3到設(shè)定的上限UREF1與下限電壓UREF2

。3、測(cè)量被測(cè)三極管的靜態(tài)直流電壓并記錄，判斷三極管是否處于放大狀態(tài)，如不是放大狀態(tài)則檢查電路是否連接有誤或Rb取值設(shè)計(jì)不當(dāng)，裝入一些已知直流

值的晶體三極管，驗(yàn)證電路工作情況。58單限比較器：電路只有一個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI逐漸增大或減小過程中，當(dāng)通過UT時(shí)，輸出電壓uO產(chǎn)生躍變，從高電平UOH躍變?yōu)榈碗娖経OL，或者從UOL躍變?yōu)閁OH。滯回比較器：電路有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI從小變大過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT1，不等于從大變小過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT2，電路具有滯回特性。窗口比較器：電路也有兩個(gè)閾值電壓，輸入電