簡單電壓比較器遲滯比較器窗口比較器

簡單電壓比較器遲滯比較器7.4集成運放的非線性應用

窗口比較器概述1當前第1頁\共有71頁\編于星期一\8點uiuo+UOM-UOMAo越大，運放的線性范圍越小，輸入大于,則輸出uo要么為+UOM，要么為-UOM。線性放大區(qū)*復習uiuo_++Aou-u+2當前第2頁\共有71頁\編于星期一\8點概述運放的非線性應用

1.電路中的運放處于非線性狀態(tài)。++Auoui比如：運放開環(huán)應用uoui運放開環(huán)、有正反饋時，處于非線性狀態(tài)3當前第3頁\共有71頁\編于星期一\8點ui>0時：ui<0時：uoui0傳輸特性2.電路中的運放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。-+AuoR1RF1RF2DuiD導通D截止負反饋4當前第4頁\共有71頁\編于星期一\8點由于處于線性與非線性狀態(tài)的運放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運放是否工作在線性區(qū)。確定運放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負反饋。若有負反饋，則運放工作在線性區(qū)；若無負反饋，或有正反饋，則運放工作在非線性區(qū)。處于非線性狀態(tài)運放的特點：1.虛短路不成立。2.ri仍可以認為很大。3.rO=0。3.電路中的運放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）。5當前第5頁\共有71頁\編于星期一\8點tuiuotUZ-UZ–+AuoR1RFuiDZR+運放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件——穩(wěn)壓二極管。R：限流電阻。一般取100。DZ雙向穩(wěn)壓管例：限幅器6當前第6頁\共有71頁\編于星期一\8點–+AuoR1RFuiDZ+當時，在雙向穩(wěn)壓管的作用下，當時，雙向穩(wěn)壓管不通，運放工作在線性狀態(tài)。*另一種形式的限幅器：雙向穩(wěn)壓管接于負反饋回路上。反向比例運算電路7當前第7頁\共有71頁\編于星期一\8點–+AuoR1RFuiUZ+uoui0+UZ+UZ傳輸特性8當前第8頁\共有71頁\編于星期一\8點由于穩(wěn)壓管被反向擊穿時，將引入一個深度負反饋，此時集成運放工作在線性區(qū)，且其反相輸入端“虛地”。tuiuot過零附近運放仍處于線性區(qū)–+AuoR1RFuiUZ+9當前第9頁\共有71頁\編于星期一\8點電壓比較器的主要作用是進行電平檢測。7.4.1簡單電壓比較器利用電壓比較器進行電平檢測波形示意圖tuI0uO0tuR參考電壓10當前第10頁\共有71頁\編于星期一\8點

功能:比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系);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、波形產(chǎn)生和變換電路等。2．運放的工作狀態(tài)

比較器電路中的運放一般在開環(huán)或正反饋條件下工作，運放的輸出電壓只有正和負兩種飽和值，即運放工作在非線性狀態(tài)。在這種情況下，運放輸入端“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11當前第11頁\共有71頁\編于星期一\8點

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單比較器12當前第12頁\共有71頁\編于星期一\8點

（1）閾值電壓：比較器輸出發(fā)生跳變時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放從一個飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個飽和狀態(tài)所需輸入電壓的值，而遲滯比較器的靈敏度等于兩個閾值電壓之差值。因而，遲滯比較器的抗干擾能力強。

（4）響應時間：輸出電壓發(fā)生跳變所需的時間稱之為響應時間。4、電壓比較器的性能指標13當前第13頁\共有71頁\編于星期一\8點5．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U-=U+時，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+的時刻。虛斷（運放輸入端電流=0）注意：此時不能用虛短！Ui=U--U+uo+UOM-UOM理想情況實際情況電壓比較器在輸出狀態(tài)跳變過程中，運放可視為在線性區(qū)工作。按理想情況分析14當前第14頁\共有71頁\編于星期一\8點uoU+-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15當前第15頁\共有71頁\編于星期一\8點++uouiURuoui0+Uom-UomURUR為參考電壓(閾值電壓：P285定義)當ui>UR時,uo=+Uom當ui<UR時,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）16當前第16頁\共有71頁\編于星期一\8點++uouiURuoui0+Uom-UomUR當ui<UR時,uo=+Uom當ui>UR時,uo=-Uom

若ui從反相端輸入電壓比較器（反相電壓比較器）17當前第17頁\共有71頁\編于星期一\8點uoui0+UOM-UOM++uoui:當UR=0時++uouiuoui0+UOM-UOM電壓比較器二、零電平比較器18當前第18頁\共有71頁\編于星期一\8點++uouituituo+Uom-Uom利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。電壓比較器例題：UR=0uoui0+UOM-UOM19當前第19頁\共有71頁\編于星期一\8點++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20當前第20頁\共有71頁\編于星期一\8點為了限制集成運放的差模輸入電壓，保護其輸入級，可加二極管限幅電路。作用：a）使Uo∠0時的輸出更接近0；b）DZ有存儲效應，D的跳變速度快，使輸出接近矩形波。D※21當前第21頁\共有71頁\編于星期一\8點遲滯比較器（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)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高。但是，主要缺點是抗干擾能力差。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在高、低兩種電平之間頻繁地反復跳變，使電路不能穩(wěn)定工作。波形示意圖如右所示：單限比較器的優(yōu)缺點：tuI0uO0t門限電平+(UZ+UD)-(UZ+UD)22當前第22頁\共有71頁\編于星期一\8點1.遲滯比較器(下行)特點:電路中使用正反饋和uo相連，而uo有兩個值，所以對應的U+就有兩個值。故閾值電壓就有兩個值。1、因為有正反饋，所以輸出飽和。2、當uo正飽和時(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、當uo負飽和時(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+（反相滯回比較器）23當前第23頁\共有71頁\編于星期一\8點－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L設ui

,當ui=<U+L,

uo從-UOM+UOM這時,uo=-UOM,U+=U+L設初始值:

uo=+UOM,U+=U+H設ui,當ui=>U+H,

uo從+UOM-UOM遲滯比較器Hom211+UURRRU+=+=LU+24當前第24頁\共有71頁\編于星期一\8點uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上門限電壓U+L下門限電壓U+H-U+L稱為回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+遲滯比較器傳輸特性25當前第25頁\共有71頁\編于星期一\8點tuiU+HU+LtuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+遲滯比較器例:設輸入為正弦波,畫出輸出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假設開始時UO為UOM想想:假設開始時UO為–UOM?26當前第26頁\共有71頁\編于星期一\8點－++uoRR2R1uiUR上下限（用疊加定理）uoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM遲滯比較器加上參考電壓后的遲滯比較器(下行)：U+=U-時所對應的ui值就是閾值是否閾值？27當前第27頁\共有71頁\編于星期一\8點R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L傳輸特性上下限：=10V=2V遲滯比較器例題：2V10V28當前第28頁\共有71頁\編于星期一\8點2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR遲滯比較器2V10Vtt29當前第29頁\共有71頁\編于星期一\8點滯回比較器可以組成矩形波、鋸齒波等非正弦信號發(fā)生電路，也可以實現(xiàn)波形變換。與單限比較器相比，滯回比較器的主要優(yōu)點是抗干擾能力強。波形示意圖如右所示：tuI0uO0t正向門限電平+UZ-UZUT-UT+負向門限電平滯回比較器的主要優(yōu)點30當前第30頁\共有71頁\編于星期一\8點tuI0uO0t正向門限電平+UZ-UZUT-UT+負向門限電平干擾太大，滯回功能會失效31當前第31頁\共有71頁\編于星期一\8點－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L遲滯比較器遲滯比較器(下行)兩種電路傳輸特性的比較:32當前第32頁\共有71頁\編于星期一\8點0URRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui0URRRRRRom211212=+-+ui當uo=-UOM當uo=+UOMui=ui=遲滯比較器2.遲滯比較器(上行)（同相滯回比較器）

令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前學習的過零同相比較器33當前第33頁\共有71頁\編于星期一\8點U+HU+Luoui0Uom-Uom傳輸特性曲線－++uoRR2R1ui上下門限電壓遲滯比較器34當前第34頁\共有71頁\編于星期一\8點－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓URURRRuRRRom211i212=+++當uo=+UOM當uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURUR

R2RR21++UR

R2RR21++加上參考電壓后的遲滯比較器(上行)：35當前第35頁\共有71頁\編于星期一\8點－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui對照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上參考電壓后的遲滯比較器(上行)傳輸特性：36當前第36頁\共有71頁\編于星期一\8點

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ui變化且經(jīng)過UH時，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，必須求出以下三個要素：注意：37當前第37頁\共有71頁\編于星期一\8點電壓比較器是一種常見的模擬信號處理電路，它將一個模擬輸入電壓與一個參考電壓進行比較，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”。38當前第38頁\共有71頁\編于星期一\8點在如圖所示電路中，R1=R2=5kΩ，基準電壓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.UT的具體值有待下面求得.無正反饋,單閾值39當前第39頁\共有71頁\編于星期一\8點解：令uN=uP=0，則求出閾值電壓所以畫出輸出波形如圖所示：40當前第40頁\共有71頁\編于星期一\8點141當前第41頁\共有71頁\編于星期一\8點在左圖（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42當前第42頁\共有71頁\編于星期一\8點解：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，uo不變，表現(xiàn)出一定的抗干擾能力。兩個閾值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強，但靈敏度變差；因此應根據(jù)具體需要確定差值的大小。三要素法：43當前第43頁\共有71頁\編于星期一\8點設計一個電壓比較器，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?！懻擃}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，電路沒有外加基準電壓，故電路如圖（b）所示。求解閾值電壓的表達式：44當前第44頁\共有71頁\編于星期一\8點所以，若取R1為25kΩ，則R2應取為50kΩ；若取R1為50kΩ，則R2應取為100kΩ。故本題有無問題？問題在哪里？請改正之！※45當前第45頁\共有71頁\編于星期一\8點實驗中的加熱裝置可用一個100Ω/2W的電阻RT模擬，將此電阻靠近Rt即可。差動放大電路滯回比較器三極管放大電路如圖所示，它是由負溫度系數(shù)電阻特性的熱敏電阻（NTC元件）Rt為一臂組成測溫電橋，其輸出經(jīng)測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”與“停止”信號，經(jīng)三極管放大后控制加熱器“加熱”與“停止”.改變滯回比較器的比較電壓UR即改變控溫的范圍，而控溫的精度則由滯回比較器的滯回寬度確定實例1請同學們自薦或推薦一兩名同學做此實驗46當前第46頁\共有71頁\編于星期一\8點由上述分析可見差動放器輸出電壓u01經(jīng)分壓后給A2組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓UR相比較。當同相輸入端的電壓信號大于反相輸入端的電壓時，A2輸出正飽和電壓，三極管T飽和導通。通過發(fā)光二極管LED的發(fā)光情況，可見負載的工作狀態(tài)為加熱。反之，當同相輸入信號小于反相輸入端電壓時，A2輸出負飽和電壓，三極管T截止，LED熄滅，負載的工作狀態(tài)為停止。調(diào)節(jié)RW4可改變參考電平，也同時調(diào)節(jié)了上下門限電平，從而達到設定溫度的目的。

電橋的主要功能是把微小的電壓變化或其他原因引起的電橋穩(wěn)定性變化表現(xiàn)出來，這個電壓偏差可以是幾個微伏到幾千幾萬微伏，如果沒有電橋的穩(wěn)定性功能是很難解決這些出現(xiàn)在個別元器件上的偏差的。加熱停止加熱47當前第47頁\共有71頁\編于星期一\8點調(diào)整管取樣電路脈寬調(diào)制(PWM)電路開關調(diào)整管控制濾波頻率固定的三角波誤差放大續(xù)流iLUIuBT比較放大器比較器uE

A

CIoR1uFLUOuAUREFuFCR2RLD基準電壓三角波發(fā)生器uT開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理一、串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電路組成框圖誤差放大器放大的是比較出來的結(jié)果.就是采樣和基準的誤差，所以比較放大器是放大比較出來的誤差。實例248當前第48頁\共有71頁\編于星期一\8點1.

取樣環(huán)節(jié)：

R1、R2分壓提取取樣電壓uF（反饋電壓）2.

基準電壓環(huán)節(jié)：提供穩(wěn)壓的基準電壓UREF3.

放大環(huán)節(jié)：比較放大器A1，放大差值（UREF－uF）4.

調(diào)整環(huán)節(jié)：調(diào)整管T由開關信號uB控制通斷，穩(wěn)定輸出電壓UO詳解T-+49當前第49頁\共有71頁\編于星期一\8點5.

LC濾波器及續(xù)流二極管D：濾波和續(xù)流得到平穩(wěn)的直流電壓。6.

脈寬調(diào)制比較器C：反相端接uT（三角波發(fā)生器的輸出），同相端接uA（比較放大器輸出），輸出開關信號uB驅(qū)動調(diào)整管。三角波發(fā)生器與比較器組成的電路稱為脈寬調(diào)制電路(PWM)T-+50當前第50頁\共有71頁\編于星期一\8點當uB為高電平→T飽和、D截止，uE=UI,經(jīng)LC濾波到負載RL同時iL↑時→L和C儲存能量當uB為低電平→T截止、D導通，uE＝－UD≈0，D續(xù)流→LC泄放能量給RL供電，輸出較平穩(wěn)的直流電壓開關電源的工作原理T-+51當前第51頁\共有71頁\編于星期一\8點工作波形—占空比OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脈寬調(diào)制式(PWM)T-+52當前第52頁\共有71頁\編于星期一\8點穩(wěn)壓原理T-+53當前第53頁\共有71頁\編于星期一\8點忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量:Vo的推算過程54當前第54頁\共有71頁\編于星期一\8點實例3

比較器在D類放大器的應用PMOSNMOS從PWM波形中提取出放大后的音頻信號，需將D類放大器的輸出送入一個低通濾波器

55當前第55頁\共有71頁\編于星期一\8點送入低通濾波器前的信號56當前第56頁\共有71頁\編于星期一\8點:

求下圖所示電壓比較器的閾值，并畫出傳輸特性。課堂練習設UOH=12V，UOL=-12V，VD為理想二極管。1257當前第57頁\共有71頁\編于星期一\8點輸入信號的頻譜圖濾波前輸出信號的頻譜圖濾波后輸出信號的頻譜圖58當前第58頁\共有71頁\編于星期一\8點2參考答案：上下閾值分別為：UO=UOH時，UD導通，UR=（10/30）*12+(20/30)*UTH1=9VUTH1=(9-4)(2/3)=7.5VUO=UOL時，UD截止，UTH2=9V為同相滯回比較器，傳輸特性如下，59當前第59頁\共有71頁\編于星期一\8點UTH1=(30*2)/(10+30)+(10*6)/(10+30)=3VUTH2=(30*2)/(10+30)+[10*(-6)]/(10+30)=0V1參考答案:上下閾值分別為為反相滯回比較器其傳輸特性如下：60當前第60頁\共有71頁\編于星期一\8點了解

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單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測輸入電壓是否在兩個給定電壓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：61當前第61頁\共有71頁\編于星期一\8點由圖可知：當uI<UB時：A1的輸出端為低電平；A2的輸出端為高電平，則二極管D2導通，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:連接高低通止下臺階上臺階UOA2UOA162當前第62頁\共有71頁\編于星期一\8點當uI>UA時：A1的輸出端為高電平，A2的輸出端為低電平，則二極管D1導通，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63當前第63頁\共有71頁\編于星期一\8點當UB<uI<UA時；A1、A2的輸出端均為低電平，兩個二極管均截止，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64當前第64頁\共有71頁\編于星期一\8點雙限比較器及其傳輸特性動畫65當前第65頁\共有71頁\編于星期一\8點由兩個簡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66當前第66頁\共有71頁\編于星期一\8點窗口比較器應用

——三極管

值分選電路用雙電壓比較器LM393設計一個β值分選電路，要求當被測三極管的β<150或β>250，LED不亮，表示不合格；當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67當前第67頁\共有71頁\編于星期一\8點1、根據(jù)題意要求，設計與計算Rb的阻值，調(diào)節(jié)W1使Rb回路總阻值等于設定值并連接好電路。2、根據(jù)Rb取值和被測晶體管

值范圍計算出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到設定的上限UREF1與下限電壓UREF2。3、測量被測三極管的靜態(tài)直流電壓并記錄，判斷三極管是