第7章 電壓比較器精選課件

7.4.1

簡單電壓比較器7.4.2遲滯比較器7.4.3

窗口比較器第七章信號的非線性處理1精品課件電壓比較器的主要作用是進行電平檢測。第一節(jié)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2精品課件

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字電路的接口，還可以用作電平檢測、波形產生和變換電路等。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”的結論不再適用，但“虛斷”的結論仍然可用。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）8精品課件++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）9精品課件uREF為參考電壓，根據比較器在臨界狀態(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UR=0時++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※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)點是電路結構簡單，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)16精品課件一.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。（反相遲滯比較器）－++uoRR2R1uiUR1.電路結構17精品課件2.閾值估算臨界跳變時：根據疊加原理，有：當uo負飽和時(uo=-UOM)：－++uoRR2R1uiuR遲滯比較器當uo正飽和時(uo=UOM)：18精品課件這時,設初始值: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時，傳輸特性即為如圖曲線；特點：輸出端從高電平跳變到低電平對應的閾值電壓與從低電平跳變到高電平對應的閾值電壓不同！輸入信號單方向變化時，只與一個閾值電壓比較20精品課件tuiuT1uT2tuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+遲滯比較器例1:設輸入為正弦波,畫出輸出的波形。uoui0+Uom-UomuT1uT2假設開始時UO為UOM想想:假設開始時UO為–UOM?21精品課件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。－++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：根據疊加原理，有：當正飽和時()：遲滯比較器當負飽和時()：－++uoRR2R1uiuR二.遲滯比較器(上行)（同相遲滯比較器）

1.電路結構24精品課件這時,設初始值: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時，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構和傳輸特性的比較:－++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發(fā)生電路，也可以實現波形變換。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28精品課件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29精品課件

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

變化且經過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：30精品課件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字電路的“接口”。31精品課件在如圖所示電路中，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，特點是當輸入大到一定范圍后，輸出不再隨輸入的增大而變化，而保持在某個固定值上。這種特性不僅用于信號的處理和運算中，也廣泛用于過載保護中。限幅電路按是否帶運放分為有源和無源兩種。由于運放具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，所以帶運放的有源限幅器可使信號源和負載之間有良好的隔離作用。但是由于受運放頻率相應的限制，接入運放后，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指標是限幅門限值和限幅系數，結合下圖來說明。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術語5.限幅區(qū);上、下限幅區(qū)6.傳輸區(qū)7.限幅系數KLI有兩個限幅區(qū)，傳輸區(qū)夾在兩個限幅區(qū)之間，具有這種傳輸特性的限幅器叫雙向限幅器。只有一個傳輸區(qū)和一個限幅區(qū)的限幅器叫單向限幅器。若限幅區(qū)夾在兩個傳輸區(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，該電路為串聯限幅。單向限幅器1.單運放二極管單向限幅器二極管限幅器就是利用二極管單向導電性特性構成的，如下圖，為并聯限幅。39精品課件Ui<UR，D截止Ui

>UR，D導通，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Ui變化時，二極管D1、D2有三種組合，從而電路輸出形成三個區(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負向變化時，使D1截止、D2導通，電路開始工作在下限幅區(qū)。等效電路如圖(c)所示。2.雙運放二極管雙向限幅器雙運放二極管雙向限幅器的電路形式較多，詳見相關資料。45精品課件3.單運放穩(wěn)壓管雙向限幅器單運放穩(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.單運放穩(wěn)壓管橋式雙向限幅器單運放穩(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放的反饋電路中，可提高電路的限幅精度，改善正負限幅電壓的對稱性。當輸入電壓為零時，加在橋路上的電源電壓為+VCC，-VEE通過R4和R5使穩(wěn)壓管DZ導通，而D1~D4均截止。設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。適當選取電流值，就不會使穩(wěn)壓管在工作過程中進入反向擊穿待性的起始段，而永遠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。※討論題3解：根據電壓傳輸特性可知，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：49精品課件所以，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！※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：51精品課件由圖可知：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UOA2UOA152精品課件當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53精品課件當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54精品課件雙限比較器及其傳輸特性動畫55精品課件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56精品課件窗口比較器應用

——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57精品課件1、根據題意要求，設計與計算Rb的阻值，調節(jié)W1使Rb回路總阻值等于設定值并連接好電路。2、根據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取值設計不當，裝入一些已知直流

值的晶體三極管，驗證電路工作情況。58精品課件單限比較器：電路只有一個閾值電壓，輸入電壓uI逐漸增大或減小過程中，當通過UT時，輸出電壓uO產生躍變，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：電路有兩個閾值電壓，輸入電壓uI從小變大過程中使輸出電壓uO產生躍變的閾值電壓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產生兩次躍變?？偨Y59精品課件比較器在最常用的簡單集成電路中排名第二