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文檔簡(jiǎn)介

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精品課件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精品課件

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精品課件

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精品課件

(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)5精品課件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(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6精品課件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7精品課件++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精品課件++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)9精品課件uREF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精品課件圖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11精品課件uoui0+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精品課件++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精品課件++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精品課件為了限制集成運(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精品課件

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精品課件一.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)17精品課件2.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精品課件這時(shí),設(shè)初始值:遲滯比較器uoui0uT1uT2傳輸特性+UOM-UOM3.電壓傳輸特性-++uoRR2R1uiUR19精品課件uoui0+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20精品課件tuiuT1uT2tuoUom-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精品課件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:uit22精品課件2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0uT1uT2傳輸特性+UOM-UOM-++uoRR2R1uiUR遲滯比較器2V10Vtt23精品課件2.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精品課件這時(shí),設(shè)初始值:遲滯比較器3.電壓傳輸特性-++uoRR2R1uiuRUT1UT2uoui0UoM-UoM25精品課件uT1uT2uoui0Uom-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精品課件-++uoRR2R1uiURuT1uT2uoui0Uom-Uom遲滯比較器兩種電路結(jié)構(gòu)和傳輸特性的比較:-++uoRR2R1uiURuoui0uT1uT227精品課件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)28精品課件tuI0uO0t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精品課件

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精品課件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精品課件在如圖所示電路中,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精品課件解:令uN=uP=0,則求出閾值電壓所以畫出輸出波形如圖所示:33精品課件134精品課件在左圖(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精品課件解: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精品課件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精品課件限幅器的主要技術(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。38精品課件2.二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。39精品課件Ui<UR,D截止Ui

>UR,D導(dǎo)通,限幅電壓為:40精品課件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41精品課件5.6.3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。42精品課件1)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。43精品課件2)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。44精品課件3)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。45精品課件3.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。46精品課件4.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精品課件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精品課件設(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?!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(zhǔn)電壓,故電路如圖(b)所示。求解閾值電壓的表達(dá)式:49精品課件所以,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精品課件了解

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精品課件由圖可知: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精品課件當(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精品課件當(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精品課件雙限比較器及其傳輸特性動(dòng)畫55精品課件由兩個(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精品課件窗口比較器應(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57精品課件1、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精品課件單限比較器: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,輸入電壓uI從小變大或從大變小過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生兩次躍變??偨Y(jié)59精品課件比較器在最常用的簡(jiǎn)單集成電路中排名第二

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