开关式稳压电路课件

第第七七章章7.5开关式稳压电路开关式稳压电路7.5.1概述概述功功率率半半导导体体作作为为开开关关元元件件，通通过过周周期期性性通通断断，控控制制开开关关元元件件的的占占空空比比调调整整输输出出电电压压。DC/DC变变换换器器是是开开关关电电源源核核心心，完完成成功功率率转转换换，还还包包括括启启动动电电路路，滤滤波波器器，过过流流或或过过压压保保护护电电路路等等组组成成，R1和和R2为为取取样样电电路路，检检测测输输出出Uo变变化化，与与基基准准电电压压Uref比比较较，进进行行误误差差放放大大，PWM(脉脉宽宽调调制制），进进一一步步通通过过驱驱动动器器控控制制功功率率开开关关器器件件的的通通断断时时间间占占空空比比（=Ton/T），从从而而调整输出电压的大小（调整输出电压的大小（Uo=UI）。）。图图 7 7.1818开关稳压电源的组成框图开关稳压电源的组成框图一、一、基本构成基本构成一次整流一次整流滤波滤波AC220VUI变换器变换器二次整流二次整流平滑平滑DC/DC变换器Uo驱动器驱动器PWM比较放大比较放大R1R2取样电阻控制电路Uref1第七章7.5开关式稳压电路7.5.1概述功率半导体作为开关第第七七章章功功率率半半导导体体作作为为开开关关元元件件，通通过过周周期期性性通通断断，控控制制开开关关元元件件的的占占空空比比调调整整输输出出电电压压。DC/DC变变换换器器是是开开关关电电源源核核心心，完完成成功功率率转转换换，还还包包括括启启动动电电路路，滤滤波波器器，过过流流或或过过压压保保护护电电路路等等组组成成，R1和和R2为为取取样样电电路路，检检测测输输出出Uo变变化化，与与基基准准电电压压Uref比比较较，进进行行误误差差放放大大，PWM(脉脉宽宽调调制制），进进一一步步通通过过驱驱动动器器控控制制功功率率开开关关器器件件的的通通断断时时间间占占空空比比（=Ton/T），从从而而调整输出电压的大小（调整输出电压的大小（Uo=UI）。）。2第七章功率半导体作为开关元件，通过周期性通断，控制开关元件的二、二、开关稳压电源的特点开关稳压电源的特点功耗小，效率高功耗小，效率高开关稳压电源调整管工作在开关状态，导通时，压开关稳压电源调整管工作在开关状态，导通时，压降接近零，截止时，通过的电流为零，导通到截止或截降接近零，截止时，通过的电流为零，导通到截止或截止到导通，转换速度快，过渡过程短，所以功耗低，因止到导通，转换速度快，过渡过程短，所以功耗低，因此电源效率得到大幅度提高。此电源效率得到大幅度提高。体积小，重量轻。体积小，重量轻。省去工频变压器，所以体积小，重量轻。省去工频变压器，所以体积小，重量轻。稳压范围宽稳压范围宽。第第七七章章输出电压由占空比调节，受输入电压影响小，稳压范围宽。输出电压由占空比调节，受输入电压影响小，稳压范围宽。安全可靠安全可靠开关稳压电源设有自动保护电路，稳压电路或者负载短路开关稳压电源设有自动保护电路，稳压电路或者负载短路时，自动切换电源，保护功能灵敏可靠。时，自动切换电源，保护功能灵敏可靠。3二、开关稳压电源的特点功耗小，效率高 开干扰较大干扰较大开关稳压电源工作在开关状态，开关频率很高，滤波电容的容量可以开关稳压电源工作在开关状态，开关频率很高，滤波电容的容量可以大大减小。大大减小。第第七七章章滤波电容容量小滤波电容容量小开关稳压电源工作在开关状态，交变电压或电流会通过开关调整管，开关稳压电源工作在开关状态，交变电压或电流会通过开关调整管，整流管，高频变压器等，容易产生尖峰干扰和调波干扰。整流管，高频变压器等，容易产生尖峰干扰和调波干扰。二、二、开关稳压电源的分类开关稳压电源的分类按所用开关器件分类按所用开关器件分类功功率率晶晶体体管管，可可控控硅硅，功功率率MOSFET（金金属属氧氧化化层层半半导导体体场场效效应应）管，管，IGBT（绝缘栅双机晶体管）等。（绝缘栅双机晶体管）等。4干扰较大开关稳压电源工作在开关状态，开关频率很高，滤第第七七章章 按储能元件和开关功率管的关系按储能元件和开关功率管的关系串联和并联两种方式。串联和并联两种方式。按开关元器件的激励方式按开关元器件的激励方式自自激激和和它它激激两两种种方方式式。开开关关管管完完成成开开关关转转换换，也也参参与与震震荡荡，是是自自激激式开关电源；它激式开关管仅完成开关转换。式开关电源；它激式开关管仅完成开关转换。按稳压控制方式按稳压控制方式按输出直流电压大小可以分升压式和降压式。按输出直流电压大小可以分升压式和降压式。脉脉冲冲宽宽度度调调制制方方式式（PWM）：电电源源输输出出正正比比于于开开关关管管导导通通时时间间Ton，反反比比于于开开关关脉脉冲冲周周期期T，稳稳压压过过程程是是：通通过过取取样样比比较较，将将误误差差值值放放大大后后制制Ton或或者者T，即即改改变变占占空空比比，控控制制输输出出Uon，达达到到稳稳压压目目的的；脉脉冲冲频频率率调调制制方方式式（PFM)：通通过过反反馈馈控控制制开开关关脉脉冲冲频频率率，将将输输出出电电压压变变化化取取样样比比较较，将将误误差差值值放放大大后后控控制制开开关关脉脉冲冲周周期期，是是输输出出电电压压稳稳定定；PWM和和PFM混合式。混合式。5第七章按储能元件和开关功率管的关系串联和并联两种方式第第七七章章按开关管连接方式按开关管连接方式单端式推挽式半桥式全桥式按隔离和耦合方式按隔离和耦合方式变压器耦合光电耦合6第七章按开关管连接方式单端式推挽式半桥式全桥式按隔离和耦一一.基本构成基本构成串联开关电源换能电路如图串联开关电源换能电路如图7.19，VT做开关管，扼流圈做开关管，扼流圈L为储能电感，为储能电感，VD续流二极管，续流二极管，C2起平滑滤波作用起平滑滤波作用。图图6.1.5第第七七章章7.5.2串联开关电源串联开关电源2开关控制信号送入开关控制信号送入VT基极，基极，VT饱和饱和，VD截止，电流经截止，电流经L存储磁能并流存储磁能并流过负载，图中实线所示。过负载，图中实线所示。VT截止时，截止时，L中电流不能突变，中电流不能突变，VD导通，导通，L将磁将磁能以电流形式释放，经负载和能以电流形式释放，经负载和VD形形成回路，虚线所示。成回路，虚线所示。C2起滤波作用，起滤波作用，当当L中电流增长或减少时，电容存储中电流增长或减少时，电容存储过剩电荷或补充负载缺少电荷，从过剩电荷或补充负载缺少电荷，从而减少而减少Uo纹波。纹波。7一.基本构成串联开关电源换能电路如图7.19，VT做开关管，L4970A是意法半导体公司推出的第二代单是意法半导体公司推出的第二代单片开关式稳压器。片开关式稳压器。L4970A原理框图原理框图第第七七章章二二.典型应用典型应用8L4970A是意法半导体公司推出的第二代单片开关式稳压器。L第第七七章章PWM控制环路，把反馈电压与控制环路，把反馈电压与5.1V基准电压比较，基准电压比较，产产生生误误差差电电压压Vr；再再讲讲Vr与与锯锯齿齿波波电电压压VJ比比较较，获获得得固固定定频频率率的的调调制制信信号号，经经驱驱动动级级驱驱动动DMOS功功率率管管，最最后后利利用用由由L,VD,C构构成成的的降降压压式式输输出出电电路路，得得到到稳稳定定输输出出电压。电压。内部主电路分析：内部主电路分析：限限流流保保护护电电路路，取取样样电电阻阻和和限限流流比比较较器器组组成成。当当输输出出电电流流超超过过最最大大限限流流值值时时，限限流流比比较较器器就就输输出出高高电电平平，将将触触发发器器置置1，再再经经过过或或非非门门变变成成低低电电平平，使使驱驱动动级级和和DMOS功功率率管管截截止止。仅仅当当内内部部40Khz振振荡荡器器的的时时钟钟脉脉冲冲CL1到到来来时时，才才能能使使触触发发器器置置0，DMOS重重新新导导通通。发发生生过过载载后后，保保护护电电路路使使得得芯芯片片保保持持恒恒定定电电流流输输出出，而而且且降降低开关频率（低开关频率（200Khz降至降至40Khz），保护芯片。），保护芯片。9第七章PWM控制环路，把反馈电压与5.1V基准电压比较L4970A芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生器、器、40kHz振荡器、误差放大器、振荡器、误差放大器、PWM比较器和比较器和PWM锁存器、驱动级、锁存器、驱动级、DMOS开关管、两级或门开关管、两级或门构成触发器、或非门、欠过压检测、限流取样电构成触发器、或非门、欠过压检测、限流取样电阻阻Rs、限流比较器、过热保护、软起动以及掉电、限流比较器、过热保护、软起动以及掉电复位等组成，其它的内部电路自己分析。复位等组成，其它的内部电路自己分析。第第七七章章10L4970A芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生器、40kH第第七七章章L4970A应用电路应用电路11第七章L4970A应用电路11*各针脚接法各针脚接法3脚脚：复复位位输输入入端端，接接内内部部复复位位和和掉掉电电电电路路，此此端端电电压压需需设设定定成成51V，可可通通过过电电阻阻分分压压器器接接Ui或或Uo，监监视视Ui或或Uo是是否否掉掉电电。若若不不用用，须须经经30k电电阻阻接接15脚脚。4脚脚：复复位位输输出出端端，集集电电极极开开路路输输出出，常常态态下下输输出出呈呈高高电电平平，当当Ui5脚脚：复复位位延延迟迟端端，外外接接复复位位电电容容Cd，以以决决定定复复位位信信号号的的延延迟迟时时间间。6脚脚：自自举举端端，经经自自举举电电容容Cb接接至至Uo，可可提提升升功功率率驱驱动动级级的的电电压压，增增加加驱驱动动DMOS开开关关功功率率管管的的能能力力，获获得得大大电电流流输输出出。7脚脚：输输出出端端Uo，固固定定输输出出51V，可可调调输输出出时时需需外外接接电电阻阻分分压压器器给给11脚脚。8脚脚：公公共共地地GND与与小小散散热热器器连连接接。9脚脚：输输入入端端Ui。10脚脚：频频率率补补偿偿端端，外外接接RC网网络络，对对误误差差放放大大器器进进行行补补偿偿。11脚脚：反反馈馈输输入入端端，直直接接接接Uo时时输输出出电电压压Uo为为固固定定51V，如如果果经经分分压压器器时时Uo可可获获得得40V以以下下的的输输出出电电压压。12脚脚：软软起起动动端端，外外接接起起动动电电容容Cs，以以决决定定软软起起动动时时间间。13脚脚：同同步步输输入入端端，用用于于多多片片同同时时使使用用。14脚脚：内内部部51V基基准准电电压压输输出出端端。15脚脚：驱驱动动级级起起动动电电路路的的引引出出端端，接接内内部部12V基准电压。基准电压。第第七七章章12*各针脚接法3脚：复位输入端，接内部复位和掉电电路，此*输出电压输出电压Uo的确定的确定输出电压为输出电压为：分分析析时时，注注意意的的是是R8上上端端接接的的是是11脚脚，然然后后看看原原理理图，分析这是的压降图，分析这是的压降。第第七七章章13*输出电压Uo的确定输出电压为：分析时，注意的是R8上端第第七七章章7.5.3并联开关电源并联开关电源一一.基本构成基本构成并联开关电源换能电路如图并联开关电源换能电路如图7.21，储，储能电感，负载和输入电压是并联的能电感，负载和输入电压是并联的。VT饱和导通时，饱和导通时，UI给电感给电感L储能，同储能，同时时L自感电动势使自感电动势使VD截止。截止。VT截止时，截止时，L自感使自感电动势极性立即改变，自感使自感电动势极性立即改变，VD导通，导通，L通过通过VD释放能量向释放能量向C2充充电，并同时向负载供电。当电，并同时向负载供电。当VT再次饱再次饱和导通时，和导通时，L储能，储能，VD反向截止，电反向截止，电容容C2向负载供电，负载上获得连续能向负载供电，负载上获得连续能量。既量。既VT导通期间，导通期间，L储能，电容储能，电容C2向负载供电；向负载供电；VT截止时，截止时，L释放能量释放能量对对C2充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；L，C2同时具备滤波作用，使得输出波形平同时具备滤波作用，使得输出波形平滑。滑。14第七章7.5.3并联开关电源一.基本构成并联开关电源换能电路6.1.3LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、LC谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。图图6.1.10第六章第六章156.1.3LC 正弦波振荡电路 一、LC 谐振回路的频并联谐振角频率并联谐振角频率令：令：谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当Q1时时谐振频率：谐振频率：第六章第六章16并联谐振角频率令：谐振回路的品质因数当 Q 1 时回路回路等效阻抗等效阻抗：LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时，在谐振频率附近，在谐振频率附近，可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。第六章第六章17回路等效阻抗：LC 并联回路的阻抗：发生并联谐振时，在谐振频不同不同Q值时，值时，LC 并联并联电路的幅频特性：电路的幅频特性：Z01Z02Q1Q2Q1Q2相频特性：相频特性：F+90-90Q1Q2Q1Q2纯阻性纯阻性结论：结论：1.当当f=f0时时，电电路路为为纯纯电电阻阻性性，等等效效阻阻抗抗最最大大；LC 并并联联电电路路具有选频特性。具有选频特性。2.电电路路的的品品质质因因数数Q 愈愈大大，选频特性愈好。选频特性愈好。图图6.1.11第六章第六章18不同 Q 值时，LC 并联电路的幅频特性：Z01Z0谐振时谐振时LC回路中的电流回路中的电流电容支路的电流：电容支路的电流：并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：所以：所以：当当 Q 1时，时，结结论论：谐谐振振时时，电电容容支支路路的的电电流流与与电电感感支支路路的的电电流流大大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。第六章第六章19谐振时 LC 回路中的电流电容支路的电流：并联回路的输入电流若以若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载并联网络作为共射放大电路的集电极负载当当f=f0时，电压放大倍时，电压放大倍数的数值最大，且无附数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为加相移。因而电路称为选频放大电路选频放大电路若增加若增加正反馈正反馈，并用反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路路就成为正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式第六章第六章选频放大电路选频放大电路20若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载当f=f0时二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理工作原理用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所以满足振荡的相位平衡条件。所以满足振荡的相位平衡条件。-2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图6.1.14变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路第六章第六章21二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1.电路组成电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。-2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图6.1.17第六章第六章22三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路1.电路组成电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡荡的的相相位位平平衡衡条件。条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件 图图6.1.20-第六章第六章23四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈电容反馈式改进型振荡电路电容反馈式改进型振荡电路振荡频率振荡频率选择选择C C1，C C2，则：则：减减小小了了三三极极管管极极间间电电容容对对振振荡荡频频率率的的影影响响，适适用用于于产生高频振荡。产生高频振荡。图图6.1.22第六章第六章24电容反馈式改进型振荡电路振荡频率选择 C C1，C 若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？，怎么办？采用共基放大电路采用共基放大电路如何分析？如何分析？第六章第六章25若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？各种各种LC振荡电路的比较振荡电路的比较26各种 LC 振荡电路的比较266.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。定的固有频率。一、一、石英晶体的特点石英晶体的特点压压电电效效应应：在在石石英英晶晶片片的的两两极极加加一一电电场场，晶晶片片将将产产生生机机械械变变形形；若若在在晶晶片片上上施施加加机机械械压压力力，在在晶晶片片相相应应的的方向上会产生一定的电场。方向上会产生一定的电场。压压电电谐谐振振：晶晶片片上上外外加加交交变变电电压压的的频频率率为为某某一一特特定定频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡压电效应和压电振荡第六章第六章276.1.4石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体，2.等效电路和振荡频率等效电路和振荡频率符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性图图6.1.27图图6.1.28第六章第六章282.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率并联谐振频率电抗频率二、石英晶体正弦波振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率由于由于图图6.1.29第六章第六章29二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交2.串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路图图6.1.30串联型石英晶串联型石英晶体振荡电路体振荡电路当当振振荡荡频频率率等等于于fS时时，晶晶体体阻阻抗抗最最小小，且且为为纯纯电电阻阻，此此时时正正反反馈馈最最强强，相相移移为为零零，电电路路满满足足自自激激振振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率调节调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。第六章第六章302.串联型石英晶体振荡电路图 6.1.30串联型石英晶体振6.2电压比较器电压比较器1.电电压压比比较较器器将将一一个个模模拟拟量量输输入入电电压压与与一一个个参参考考 电电压压进进行行比比较较，输输出出只只有有两两种种可可能能的的状状态态：高高电平或低电平。电平或低电平。2.比比较较器器中中的的集集成成运运放放一一般般工工作作在在非非线线性性区区；处处于于 开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。6.2.1概述概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、测量、控制、D/A和和A/D转换电路中应用广泛。转换电路中应用广泛。第六章第六章316.2电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一、一、电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。(2)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。(3)当当uI变化且经过变化且经过UT时，时，uO跃变的方向。跃变的方向。第六章第六章32一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的二、理想运放的非线性工作区二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO-UOM集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。第六章第六章33二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集6.2.2单门限比较器单门限比较器一、过零比较器一、过零比较器由由于于理理想想运运放放的的开开环环差差模模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当uI0时，时，uO=-UOM；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOM-UOMOUOM为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压阈值电压：当当比比较较器器的的输输出出电电压压由由一一种种状状态态跳跳变变为为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。图图6.2.3第六章第六章346.2.2单门限比较器一、过零比较器由于理想运放的开环利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器设设任任何何一一个个稳稳压压管管被被反反向向击击穿穿时时，两两个个稳稳压压管管两两端端总总的的的稳定电压为的稳定电压为UZUOMuIuO+UOM -UOMO+UZ-UZ当当uI0时时，右右边边的的稳稳压压管管被反向击穿，被反向击穿，uO=-UZ；图图6.2.6第六章第六章35利用稳压管限幅的过零比较器设任何一个稳压管被反向击穿时，利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOM -UOMO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？端，传输特性如何？第六章第六章36利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UO问问题题：过过零零比比较较器器如如图图所所示示，输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？传输特性传输特性uIuO+UOM -UOMO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波第六章第六章37问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形二、单门限比较器二、单门限比较器单单限限比比较较器器有有一一个个门门限限电电平平，当当输输入入电电压压等等于于此此门门限限电电平平时时，输输出出端端的的状状态态立立即发生跳变。即发生跳变。当当输输入入电电压压uI变变化化，使使反反相相输输入入端端的的电电位位为为零零时时，输输出出端端的的状态将发生跳变，门限电平为：状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过过零零比比较较器器是是门门限限电电平平为为零零的单限比较器。的单限比较器。图图6.2.7R1R2第六章第六章38二、单门限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的uI、uO波形波形单单限限比比较较器器的的作作用用：检检测测输输入入的的模模拟拟信信号号是是否否达达到到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采采用用具具有有滞滞回回传传输输特特性性的比较器。的比较器。第六章第六章39存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形单限比较器的作电压比较器分析方法小结电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL。（2）写出）写出up和和uN的电位表达式，令的电位表达式，令up=uN，解得输，解得输入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。（3）u0在在uI过过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。个输入端。当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时，uIUT,u0=U0L。反之，结论相反。反之，结论相反。第六章第六章40电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高例例6.2.1在图在图6.2.6所示电路中，所示电路中，UZ=6V，在图在图6.2.7中中所示电路中，所示电路中，R1=R2=5k，基准电压，基准电压UREF=2V，稳压，稳压管的稳定电压管的稳定电压UZ=5V；它们的输入电压均为图；它们的输入电压均为图6.2.8（a）所示的三角波。试画出图）所示的三角波。试画出图6.2.6所示电路的输出所示电路的输出电压电压u01和图和图6.2.7所示电路的输出电压所示电路的输出电压u02解解图图6.2.8例例6.2.1波形图波形图第六章第六章图图8.2.6为过零比较器为过零比较器图图6.2.7为一般单限比较器。为一般单限比较器。41例6.2.1在图6.2.6所示电路中，UZ=6V，6.2.3滞回比较器滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压计算阈值电压UT电压传输特性电压传输特性uo从从+UZ跃变到跃变到-UZ的的 阈值电压为阈值电压为+UTuo从从-UZ跃变到跃变到+UZ的的 阈值电压为阈值电压为-UTuI在在-UT与与+UT之间增加或减小之间增加或减小,uO不发生变化不发生变化第六章第六章426.2.3滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计UREF为为参参考考电电压压；uI为为输输入入电电压压；输输出出电电压压uO为为+UZ或或-UZ。当当uP=uN N 时时，输输出出电电压压的状态发生跳变。的状态发生跳变。比比较较器器有有两两个个不不同同的的门门限限电电平平，故传输特性呈滞回形状。故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图图6.2.10滞回比较器滞回比较器二、加了参考电压的二、加了参考电压的滞回比较器滞回比较器第六章第六章43UREF 为参考电压；uI 为输入电压；输出电压 uO若若uO=UZ，当当uI逐逐渐渐减减小小时时，使使uO由由 UZ跳跳变变为为 UZ所需的门限电平所需的门限电平UT 回差回差(门限宽度门限宽度)UT：若若uO=UZ，当当uI逐逐渐渐增增大大时时，使使uO由由+UZ跳跳变变为为-UZ所需的门限电平所需的门限电平UT+第六章第六章44若 uO=UZ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 例例6.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图图6.2.11例例6.2.2波形图波形图uO/Vt0+9-9+9uIuO-9O-3+3第六章第六章图图6.2.9滞回比较器滞回比较器45例6.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波6.2.4窗口比较器窗口比较器参考电压参考电压UREF1UREF2若若uI低低于于UREF2，运运放放A1输输出出低低电电平平，A2输输出出高高电电平平，二二极极管管VD1截截止止，VD2导导通通，输输出出电压电压uO为高电平；为高电平；若若uI高高于于UREF1，运运放放A1输输出出高高电电平平，A2输输出出低低电电平平，二极管二极管VD2截止，截止，VD1导通，输出电压导通，输出电压uO为高电平；为高电平；图图6.2.13双限比较器双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。第六章第六章466.2.4 窗口比较器参考电压 UREF1 UREF2当当 uI高高于于 UREF2而而低低于于UREF1时时，运运放放A1、A2均均输输出出低低电电平平，二二极极管管VD1、VD2均均截止，输出电压截止，输出电压uO为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平URH=UREF1下门限电平下门限电平URL=UREF2uIuOOUREF1UREF2综综上上所所述述，双双限限比比较较器器在在输输入入信信号号uIUREF1时时，输输出出为为高高电电平平；而而当当UREF2uIUREF1时时，输输出为低电平。出为低电平。图图6.2.13(b)第六章第六章47当 uI 高于 UREF2 而低于 UREF1 时，6.2.5集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：分类：单、双和四电压比较单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型第六章第六章486.2.5集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类二、集成电压比较器的基本接法二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器通用型集成电压比较器AD790第六章第六章引脚图引脚图+12V单单电源供电源供电，逻电，逻辑电源辑电源为为5V。5V双电双电源供电，源供电，逻辑电源逻辑电源为为5V。115V双电双电源供电，源供电，逻辑电源逻辑电源为为5V。49二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD792.集电极开路集成电压比较器集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图金属封装的管脚图电路为双限比较器，电路为双限比较器，能实现线与功能能实现线与功能图图6.2.16由由LM119构成的双限比较器及其构成的双限比较器及其电压传输特性电压传输特性第六章第六章502.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图电路6.3非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图图6.3.1几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波第六章第六章516.3非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶6.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图6.3.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）（延迟环节、反馈网络）钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）（稳幅环节）第六章第六章526.3.1矩形波发生电路一、电路组成RC 充放电回路滞回图二、工作原理二、工作原理设设t=0时，时，uC=0，uO=+UZ则则tOuCOuOtu+u 当当u=uC=u+时，时，t1t2则则当当u=uC=u+时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变，uO=+UZ输出跳变，输出跳变，uO=UZ图图6.3.4第六章第六章53二、工作原理设 t=0 时，uC=0，uO=+三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律：对于放电，对于放电，解得：解得：结论：改变充放电回路的结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图图6.3.4振荡频率振荡频率f=1/T第六章第六章54三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路图图6.3.5a使电容的充、放电时间常数不使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间T1放电时间放电时间T2占空比占空比D图图6.3.5b第六章第六章55四、占空比可调的矩形波发生电路图 6.3.5a使电容的充6.5.2三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成一、电路组成图图6.3.6采用波形变换的方法得到三角波采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波为方波电路分析电路分析uO2为三角波为三角波第六章第六章566.5.2三角波发生电路一、电路组成图6.3.6采用波形变二、工作原理二、工作原理当当u+=u=0时时，滞滞回回比比较较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。图图6.3.8实用电路实用电路左边是同相输入滞回比较器左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路右边为反向积分运算电路图图6.3.7R3R4传输特性传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI第六章第六章57二、工作原理当 u+=u-=0 时，滞回比较器的输出二、工作原理二、工作原理OuO1tOuOt当当u+=u=0时时，滞滞回回比比较较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。图图6.3.9图图6.3.7R3R4设设t=0时，时，uO1=+UZu0=0第六章第六章58二、工作原理OuO1tOuOt当 u+=u-=0 时三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当u+=u=0时，时，uO1跳变为跳变为-UZ，uO达到最大值达到最大值Uom。振荡周期振荡周期调节电路中的调节电路中的R1、R2、R3阻值和阻值和C的容量，可改变振荡频率，的容量，可改变振荡频率，调节调节R1、R2的阻值，可改变三角波的幅值。的阻值，可改变三角波的幅值。第六章第六章59三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当 u+=u-图图6.3.10a6.5.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路一、电路组成一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期二、输出幅度和振荡周期正向积分时间常数远大于反正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。向积分时间常数或者相反。第六章第六章60图 6.3.10a6.5.3锯齿波发生电路一、电路组成OuO6.3.4波形变换电路波形变换电路（自学）（自学）一、三角波变锯齿波电路一、三角波变锯齿波电路二、三角波变正弦波电路二、三角波变正弦波电路1.滤波法滤波法2.折线法折线法第六章第六章616.3.4波形变换电路（自学）一、三角波变锯齿波电路二、三6.3.5函数发生器函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构一、电路结构（ICL8038）1.二个电流源二个电流源2.二个同相输入二个同相输入单限比较器单限比较器3.RS触发器触发器4.二个缓冲电路二个缓冲电路5.三角波变正弦波电路三角波变正弦波电路第六章第六章626.3.5 函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三当当Q=0，S断开，断开，C 充电充电(IS1)至至2/3VCCQ=1当当Q=1，S闭合，闭合，C 放电放电(IS2 IS1)至至1/3VCCQ=0当当IS2=2IS1，引脚，引脚9输出方波，引脚输出方波，引脚3输出三角波；输出三角波；当当IS22IS1，引脚引脚9输出矩形波，引脚输出矩形波，引脚3输出锯齿波。输出锯齿波。二、工作原理二、工作原理Q Qn+1n+1=S+RQ=S+RQn n第六章第六章63当 Q=0，S 断开，C 充电(IS1)至 2/3V三、性能特点三、性能特点12345678ICL803814131211109正弦波正弦波失真度调整失真度调整正弦波失正弦波失真度调整真度调整正弦波输出正弦波输出三角波输出三角波输出矩形波输出矩形波输出调频偏置调频偏置电压输入电压输入调频偏置调频偏置电压输出电压输出接电阻接电阻RA接电阻接电阻RB接电容接电容C+VCC VEE(或地或地)6.3.20ICL8038的引脚图的引脚图ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。可单电源供电，也可双电源供电。第六章第六章64三、性能特点12345678ICL14131211109正弦四、常用接法四、常用接法第六章第六章65四、常用接法第六章65调占空比和调占空比和正弦波失真正弦波失真调占空比和调占空比和正弦波失真正弦波失真RW1RP4RW2+VCC VEERRAICL8038451310 11128RBRP3CC1692图图6.3.23失真度减小和频率可调电路失真度减小和频率可调电路第六章第六章调调频频率率66调占空比和正弦波失真调占空比和正弦波失真RW1RP4 RW2