第22讲-电压比较器

一、概述一、概述 7.4 电压比较器电压比较器 对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平高电平或低电平或低电平电压。1.电压比较器的功能通常由集成运放构成，运放处于开环或正反馈开环或正反馈的状态。只要在运放的两个输入端之间加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用非线性应用。在分析比较器时，虚断仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适用。二、分类过零比较器过零比较器 1、简单比较器、简单比较器非过零比较器非过零比较器2 2、滞回比较器、滞回比较器3 3、窗口比较器、窗口比较器(零电平比较器)三、比较器的工作特性（1）阈值电压）阈值电压UTH 使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，即U+=U-时的UI值。阈值是输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。阈值是输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。此时集成运放两个输入端电位相等，U+=U-所对应的所对应的UI值。值。（2）传输特性曲线）传输特性曲线 比较器的输出电压Uo与输入电压UI在平面直角坐标系中的关系。（2）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（1）阈值电压）阈值电压UTH 传输特性曲线的三个要素:（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向。）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向。画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器具体电路，分析在输入电压由足够低变到足够高由足够低变到足够高(正向过程正向过程)和输入电压由足够高到足够低由足够高到足够低(负向过程负向过程)两种情况下，输出电压的变化规律，画出传输特性。写出u-、u+的表达式，令u-u+，求解出的uI即为UTH；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端分析正向过程和反向过程输出电压的跳变方向。电压比较器电压比较器传输特性传输特性的分析方法的分析方法电压比较器将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较。参考电压为零的比较器称为零电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器。一、过零比较器一、过零比较器 简单比较器只有一个阈值简单比较器只有一个阈值UTH简单比较器简单比较器1 1、同相输入过零比较器、同相输入过零比较器 oHoUUUU,oLoUUUU,oUUU0,iooHuUUoLoiUUu,00,iouU跳变跳变临界条件2 2、反相输入过零比较器、反相输入过零比较器 oLoiUUu,0oHoiUUu,00,iouU跳变输出端加双向稳压管输出端加双向稳压管 反馈回路接双向稳压管反馈回路接双向稳压管电压传输特性电压传输特性 3 3、限幅输出比较器、限幅输出比较器ZOHUUZOLUU二、任意电平比较器（非过零比较器）二、任意电平比较器（非过零比较器）(1)(1)简单任意电平比较器简单任意电平比较器 电压传输特性 oHoRiUUUu,iRouUU跳变oLoRiUUUu,同相非过零比较器THRUU阈值电压(2)电平检测比较器电平检测比较器 电压传输特性 121212RiRRuuURRRR阈值电压阈值电压12THRRUUR 只要改变参考电压只要改变参考电压UR的大小和极的大小和极性以及电阻性以及电阻R1和和R2的阻值，就可以的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性改变阈值电压的大小和极性。反相求和电压比较器简单比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。三、滞回比较器三、滞回比较器 滞回比较器又称施密特触发器，这种比较器的特点是当输入信号UI逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值两个阈值UTH1和和UTH2，且不相等，其传输特性具有“滞回滞回”曲线的形状。滞回比较器电路及其传输特性 为了加速输出状态的跃变，使运放经过线性区过渡的时间缩短，输出端至同相输入端引入正反馈正反馈。当ui足够低时，uo为高电平，UOH=+UZ；当ui从足够低逐渐上升到阈值UTH1时。uO由UOH跳变到低电平UOL=UZ。1 1、反相滞回比较器反相滞回比较器 （1 1）正向过程）正向过程 32322323RoHRZRURURURUURRRR正向过程的阈值正向过程的阈值UTH1为为滞回比较器有两个阈值两个阈值UTH1和和UTH21THU当ui足够高时，uo为低电平，UOL=UZ。ui从足够高逐渐下降使uo由UOL跳变为UOH的阈值为UTH2。（2 2）负向过程）负向过程 323222323RoLRZTHRUR URUR UUURRRR负向过程的阈值负向过程的阈值UTH2为为反相滞回比较器传输特性21THTHUU（3 3）滞回比较器应用）滞回比较器应用 滞回比较器能将连续变化的周期信号变换为矩形波。22THUV 12THUV 常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。2.2.同相滞回比较器同相滞回比较器oLRTHURRURRU32321)1(oHRTHURRURRU32322)1(UTH=UTH1UTH2称为回差。称为回差。UR是固定电压，改变UR值能改变阈值UTH1和UTH2，但并不改变回差大小。23THoHoLRU(UU)R 滞回比较器的传输特性和输入电压波形如图所示。根据传输特性和两个阈值(UTH12V,UTH2=2V)可画出输出电压uo的波形。ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。滞回比较器由于有回差电压回差电压存在，大大提高了电路的抗干扰能力，回差UTH越大，抗干扰能力越强。当输入信号因干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过回差UTH，比较器的输出电压就不会来回变化。四、窗口电压比较器 简单比较器和滞回比较器当ui单方向变化(正向过程或负向过程)时，uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。窗口比较器是一种双限比较器。它的特点是输入信号ui单方向变化可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图所示。（1）简单比较器：只有一个阈值电压UTH1。（2）滞回比较器：具有滞回特性。输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。五、几种常用的电压比较器五、几种常用的电压比较器（3）窗口比较器三种比较器的传输特性曲线如图所示电路，A均为理想运放，电容器上初始值为零。设Ul=1V，U2=l V，求t为多少秒时Uo产生跳变?作业7-34-36、7-38解：11212110oCUU tU tU()RCR C 1212RC,R C11100 52oU()tt.t 求出电压比较器的阈值UTH130 5oUU,UV,UU.t13oUV当 时电路发生跳变，3THUV0 536.t,tS解上式中方程，当 时，电平跳变。例题1：下图所示的电平检测比较器中，已知 R1=10K，R2=20K,UZ=6V检测输入信号ui是否超出1V，试确定其基准电压UREF，并根据如图所示输入信号ui波形画出输出信号uo波形；ui/V20t解:(1)由题意要求阈值电压为UTH=1V其传输特性如图所示。12THiREFRUuUR 解得基准电压UREF=-R2/R1UTH=-2V+6-0.70uo/Vui/V根据公式当 时，1iTHuUV0.7oDuUV 1iTHuUV 当 时，6oZuUV1在输入波形图上作一条阈值电压UTH=1V的基准线，得如图所示输出波形。ui/V2UTH=1V0tuo/V+6-0.70t输入电压与输出电压对应波形例题2：反相滞回比较器如图所示。电路的UR=0，UZ=6V,R1=10k，R2=15k，R3=30k，R4=3k。（1）求比较器阈值UTH；（2）画出电路传输特性曲线；（3）若电路输入电压的波形如下图所示。对应输入信号ui，画出电路输出电压uo波形。322332231RRURURRRURURUZRoHRTH323222323RoLRZTHRURURURUURRRR解：(1)反相滞回比较器 当ui足够低时，uo为高电平，UoH=+UZ输出电压发生跳变的临界条件是U=U+,U=ui，其中U=U+时对应的ui值就是阈值，正向过程的阈值为 当ui足够高时，uo为低电平UoL=UZ计算得 UTH1=2V,UTH2=2V反向过程的阈值UTH2为（2）传输特性曲线（3）对应输入电压Ui，画输出电压Uo波形。1222THTHUV,UV