第三章電壓比較器弛張振蕩器及模擬開關(guān)

第三章電壓比較器弛張振蕩器及模擬開關(guān)第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

3.1電壓比較器

電壓比較器廣泛用于“電壓比較”、“電平鑒定”、“波形整形”、“波形產(chǎn)生”、“脈沖調(diào)寬”、“判決電路”以及“模/數(shù)變換”等。一、電壓比較器的基本特性

電路特點：開環(huán)或者引入正反饋，總體放大器工作于“非線性”狀態(tài)，“虛短路”和“虛地”概念不適用。

輸出：比較器輸出只有兩個狀態(tài)，“1”或是“0”。

功能：電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一電壓比較器一般是開環(huán)工作，其增益很大。電壓比較器的符號及傳輸特性電壓比較器的符號電壓比較器的傳輸特性電壓比較器的輸入輸出關(guān)系：

電壓比較器的輸出要么為高電平“1”，要么為低電平“0”，因此電壓比較器可作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1、高電平(UoH)和低電平(UoL)電壓比較器的性能指標

專用比較器的輸出電平：2、鑒別靈敏度3.轉(zhuǎn)換速度：比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需的時間

（不靈敏區(qū)）

一般要求轉(zhuǎn)換時間盡可能短，以便實現(xiàn)高速比較。轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)，SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一二、電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用––簡單比較器

這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。1.過零比較器

若參考信號ur為三角波，而輸入信號ui為緩變信號，如經(jīng)傳感器變換的溫度、壓力等信號，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化，從而實現(xiàn)脈寬調(diào)制。2.脈寬調(diào)制器第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一例3.1.1電路和輸入信號如圖，試分別畫出uo1和uo2的波形。解：隔直第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

存在問題：三、遲滯比較器——正反饋比較器——雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、簡單比較器應(yīng)用中存在的問題

turt00干擾錯誤跳變uouit0uo一是壓擺率的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭二是抗干擾能力差第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

2、遲滯比較器電路及傳輸特性1)反相輸入的遲滯比較器在簡單比較器中引入正反饋，構(gòu)成所謂“遲滯比較器”。+-R1R2RuiufuoA電源供電電壓UCC和-UEE

當(dāng)ui由負逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時，輸出由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。稱uo從高到低所對應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電平UTH第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

由于參考電位的變化，若輸入一直為正，則輸出不再發(fā)生變化，只有當(dāng)輸入比參考電位更負，輸出才發(fā)生跳變，由低電平變?yōu)楦唠娖?。此時對應(yīng)的參考電位為下門限電平UTL。此后ui繼續(xù)增大，uo一直維持在低電平。此時參考電壓為：綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性如圖+回差電壓：第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一2)同相輸入的遲滯比較器同相輸入遲滯比較器電路如圖R2+-R1uiuoA

當(dāng)ui極性變正且同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態(tài)才可能由負UOL向正UOH發(fā)生跳變。即：同理：同相輸入遲滯比較器傳輸特性第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1、具有很強的抗干擾能力2、正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，改善了輸出波形的邊緣

遲滯比較器的特點：3、具有兩個狀態(tài)，且具有記憶功能遲滯比較器又稱為施密特觸發(fā)器或者雙穩(wěn)態(tài)電路。例3.1.2電路如圖(a)，輸入波形如圖(b)，試畫出uo1和uo2的波形。R2+-R1uiuo1A1+-A23k10k10k1k5kuo2-12V-12V12V12Vui1.6V-1.6Vt0第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一解：ui1.6V-1.6Vt01、電路組態(tài)分析A1組成反相比例放大器A2組成反相輸入遲滯比較器uo18V-8Vt0UTH=6VUTL=-6Vt0uo2第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

3.2弛張振蕩器

弛張振蕩器是方波-三角波產(chǎn)生器，對于方波信號，其狀態(tài)有時維持不變，有時發(fā)生突跳。為區(qū)別正弦振蕩器而稱之為弛張振蕩器。

電路特點：正反饋電路，由兩部分組成：一部分為狀態(tài)記憶電路，一部分為定時電路，用來控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間。弛張振蕩器框圖第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一一、單運放弛張振蕩器單運放將狀態(tài)記憶電路和定時電路集中在一起，如圖所示R+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R1UoHR2+R2R1UoLR2+R2R1UoHUoLTT/2T1T2uo(t)uc(t)tt2t1uc(t)0單運放弛張振蕩器及其波形第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一單運放弛張振蕩器特性分析

假定輸出為高電平，且電容出示電壓為uc(0)=0，則電容按指數(shù)規(guī)律充電，并趨向UoH，此時U+為：

當(dāng)uC上升到該電平值時，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。此時的U+記為高門限電壓UTH：比較器參考電壓

由高電平跳變到低電平UoL時，電容開始放電，并反向充電，并趨向UOL，此時參考電壓為：定義第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)電容電壓uc(t)下降到UTL時，輸出從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。周而?fù)始，運放輸出為方波，其峰峰值為：

由于RC不是理想的積分器，因此電容電壓uC上近似為三角波，其峰峰值為：

由于電容充放電時間常數(shù)都為T=RC，因此T1=T2，占空比為D=T2/T1=50%。分析計算振蕩頻率f0第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)t=T1時，發(fā)生轉(zhuǎn)換：其中：

根據(jù)三要素法，電容電壓為：從而振蕩頻率為：第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

例3.2.1電路如圖，設(shè)C=0.1μF，R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,試求uo(t)和uc(t)的波形幅度和頻率。解：R+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R13)振蕩頻率為：1）uo(t)為方波，其幅值為：2）uc(t)近似為三角波，其幅值為：第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一二、雙運放構(gòu)成的弛張振蕩器雙運放方波-三角波振蕩器電路特點：A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器理想積分器保證電容恒流充放電，因而三角波線性很好。電路工作原理：A1

輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成線性度很好的三角波，三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成振蕩。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一雙運放方波–三角波振蕩器的輸出波形Uo2mU’o2mUo2mU’o2m第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一uo2為三角波，當(dāng)uo1為高電平時，C充電電流為ic=αUoH/R，uo2隨時間線性下降。A1反相端接地，當(dāng)U+過零時，A1輸出狀態(tài)發(fā)生變化，a)uo1的幅度1）uo1和uo2的幅度計算故第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)uo1為低電平時，C反充電，充電電流為ic=αUoH/R，uo2隨時間線性上升。當(dāng)U+再次過零時，有：b）uo2的幅度故因此當(dāng)R1>R2時，三角波的幅度將超過方波的幅度。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一在T1時間間隔內(nèi)，電容C的電壓增量為：2）頻率fo的計算結(jié)論：通過改變分壓比可以改變恒流充放電電流，從而可以微調(diào)振蕩頻率。第23頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

3.3