第3章-电压比较器课件

第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关第第3章章 电压比较器电压比较器、驰张振荡器驰张振荡器 及模拟开关及模拟开关 电压比较器电压比较器 驰张振荡器驰张振荡器 模拟开关模拟开关第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关电电压压比比较较器器的的功功能能是是对对两两个个输输入入电电压压的的大大小小进进行行比比较较，并并根根据比较结果输出高、低两个电平。据比较结果输出高、低两个电平。3.1 电压比较器电压比较器电电压压比比较较器器有有专专用用的的集集成成芯芯片片可可供供使使用用，也也可可用用集集成成运运放放组组成成。用用作作比比较较器器的的运运放放将将工工作作在在开开环环或或正正反反馈馈的的非非线线性性状态。状态。在信号变换在信号变换、检测、检测和波形产生电路中有广泛应用。和波形产生电路中有广泛应用。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关电压比较器的基本特性电压比较器的基本特性 1).输出高电平输出高电平(UoH)和低电平和低电平(UoL)用用运运放放构构成成的的比比较较器器，其其输输出出的的高高电电平平UoH和和低低电电平平UoL可分别接近于正电源电压可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压和负电源电压(-UCC)。电压比较器的电路符号电压比较器的电路符号第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 理理想想的的电电压压比比较较器器，在在高高、低低电电平平转转换换的的门门限限UT处处具有阶跃的传输特性。具有阶跃的传输特性。实实际际运运放放的的Aud不不为为无无穷穷大大。在在UT附附近近存存在在着着一一个个比比较较的的不不灵灵敏敏区区。在在该该区区域域内内输输出出既既非非UoH，也也非非UoL，故故无法对输入电平大小进行判别无法对输入电平大小进行判别。2).鉴别灵敏度鉴别灵敏度要求运放：要求运放：显显然然，Aud越越大大，则则这这个个不不灵灵敏敏区区就就越越小小，称称比比较较器器的鉴别灵敏度越高。的鉴别灵敏度越高。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关转换时间转换时间 3).转换速度转换速度 比较器输出状态发生转换所需要的时间。比较器输出状态发生转换所需要的时间。通通常常要要求求转转换换时时间间尽尽可可能能短短，以以便便实实现现高高速速比比较较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关非线性应用的条件：非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：非线性应用特点：此时，两输入端此时，两输入端“虚短路虚短路”的概念不再适用。的概念不再适用。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 1.)反反相相电电压压比比较较器器 电电路路如如图图所所示示，输输入入信信号号ui加加在在反相端，参考电压反相端，参考电压ur 加在同相端。加在同相端。1.1.简单电压比较器简单电压比较器 ui ur，uo=UOL 传输特性传输特性 uo=f(ui)当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。0第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关2).同相电压比较器同相电压比较器 ui ur，uo=UOH传输特性传输特性 uo=f(ui)当参考电压为零时，则为同相过零比较器。当参考电压为零时，则为同相过零比较器。电路如图所示，电路如图所示，输入输入 信号信号ui加在同相端，参考加在同相端，参考 电压电压ur 加在反相端。加在反相端。0第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例1.若若 ui=5sint V ur=2V,UCC=12V。试试画画出出反反相相和和同同相相比比较器的输出波形。较器的输出波形。反相比较器反相比较器同相比较器同相比较器第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 例例2.将不规则的输入波将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。形整形成规则的矩形波。例例3.若若ur为为三三角角波波，而而ui为为缓缓变信号，实现脉宽调制。变信号，实现脉宽调制。反相比较器反相比较器反相过零比较器反相过零比较器第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 0 反相电压比较器反相电压比较器同相电压比较器同相电压比较器 0 简单电压比较器小结简单电压比较器小结第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题 .输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；不够陡峭；.抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。2.2.迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关解解决决方方法法：在在比比较较器器中中引引入入正正反反馈馈，构构成成“迟迟滞滞比比较较器器”。有有很很强强的的抗抗干干扰扰能能力力。同同时时，由由于于正正反反馈馈加加速速了了状状态态转转换换，改善输出波形的边缘。改善输出波形的边缘。1).1).反相迟滞比较器反相迟滞比较器 反相迟滞比较器电路如反相迟滞比较器电路如图所示。图所示。R1和和R2将输出电压将输出电压uo反馈到运放的同相端，构反馈到运放的同相端，构成正反馈。为简单计，成正反馈。为简单计，R1端端所接的参考电平为地电位。所接的参考电平为地电位。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为当当ui很负使很负使u 以后，以后，uo将维持在低电平。将维持在低电平。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关反之，反之，ui由大逐渐变小时，由于同相端电位变为由大逐渐变小时，由于同相端电位变为 因因而而ui必必须须小小到到 时时，输输出出才才由由低低电电平平跳跳变变为为高高电电平平。此时的输入电压称为此时的输入电压称为下门限电压下门限电压，记为，记为UTL。UTL=电压的传输特性电压的传输特性曲线如图所示：曲线如图所示：第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 由于其传输特性很像磁由于其传输特性很像磁性材料的磁滞回线，性材料的磁滞回线，迟滞比较器的上、下门限电迟滞比较器的上、下门限电压之差称之为压之差称之为回差回差，用，用U表示。表示。回差回差U的大小，将决定比较器的抗干扰能力，的大小，将决定比较器的抗干扰能力，U越越大，则抗干扰能力越强，同时比较器的鉴别灵敏度降低大，则抗干扰能力越强，同时比较器的鉴别灵敏度降低。因为输入电压因为输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。不可能转换。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例4.若若 ui=5sint V，R1=10k，R2=50k，UCC=12V。试画出反相试画出反相迟滞迟滞比较器的输出波形。比较器的输出波形。解解第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关有干扰下的迟有干扰下的迟滞比较器输出波形滞比较器输出波形第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关2）.同相迟滞比较器同相迟滞比较器电路如图所示，电路如图所示，当当ui很负，使很负，使u+u=0 时，时，uo为低电平为低电平UoL。此时，同相端电位此时，同相端电位u u+为为 当当ui由由负负增增大大到到使使U+=0时时，输输出出将将由由低低电电平平跳跳变变为为高电平。此时的高电平。此时的ui即为即为上门限电压上门限电压UTH。输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为=0由上式解得由上式解得第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关反反之之，ui由由正正减减小小到到使使 时时，输输出出将将由由高高电电平平跳跳变变为低电平。此时的为低电平。此时的ui即为即为下门限电压下门限电压UTL。传输特性如图所示。传输特性如图所示。=0由上式解得由上式解得第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例5.若若 ui=5sint V，R1=10k，R2=60k，UCC=12V。试画出反相试画出反相迟滞迟滞比较器的输出波形。比较器的输出波形。解解第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关振振荡荡器器（又又称称波波形形产产生生器器）是是一一种种没没有有输输入入信信号号，在在加加电电之之后后能能自自动动产产生生一一定定形形状状、一一定定幅幅度度和和一一定定频频率率波波形形的电路的电路。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为后者主要产生方波、三角波和锯齿波等非正弦波。弛张后者主要产生方波、三角波和锯齿波等非正弦波。弛张振荡电路的类型非常多，本节只讨论用集成运放构成的振荡电路的类型非常多，本节只讨论用集成运放构成的弛张振荡电路。弛张振荡电路。3.2 弛张振荡器弛张振荡器第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关1.方波振荡器方波振荡器 方方波波振振荡荡器器是是由由运运放放构构成成反反相相迟迟滞滞比比较较器器，再再加加一一条条RC充放电支路构成。充放电支路构成。反相迟滞比较器的传输特性及其上、下门限分别为：反相迟滞比较器的传输特性及其上、下门限分别为：第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关1）.电路振荡原理电路振荡原理 加加电电后后若若uo=UoH，UoH通通过过R向向C充充电电，ui增增大大，达达到到UTH时，时，uo跳变为低电平。跳变为低电平。uo=UoL后后，C反反向向充充电电，ui减减小小，降降到到UTL时时，uo又又跳变为高电平跳变为高电平此后重复以上过程，周而复始产生振荡。此后重复以上过程，周而复始产生振荡。+第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关2）振荡器电路中电容器端和输出的电压波形）振荡器电路中电容器端和输出的电压波形第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关首先计算周期首先计算周期T。T=T1+T2，T1=T2，T=2T1。根据三要素法：。根据三要素法：则振则振荡频率荡频率其中：其中：3）计算振荡频率）计算振荡频率f0第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例1.已知已知 R1=R2=10k，R=25k，C=0.1F。试求输出方波的频率试求输出方波的频率fo。第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关相位相反相位相反2.2.三三角波角波-方波振荡器方波振荡器电路组成原理电路组成原理替替换换第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关1).反相比较器构成的电路反相比较器构成的电路ui相位相同相位相同uo1第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关2 2）.同相比较器电路构成的电路同相比较器电路构成的电路ui第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关3）.振荡频率振荡频率f0的确定的确定 在在T2时间内，时间内，uC的变化量的变化量第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例2.已知已知 UCC=12V，R1=10k，R2=20k，R=50k，C=0.01F。试求输出试求输出uo1和和uo2波形的幅度和频率。波形的幅度和频率。解：解：第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关3.3 单片集成专用电压比较器单片集成专用电压比较器第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关单片集成专用电压比较器单片集成专用电压比较器1.通用低速型通用低速型(LM311/211/111)第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关2.通用型通用型/中速型中速型(LM119)第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关3.高精度高精度/低失调低失调/低功耗低功耗(LM339/239/139)第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关4.高速高速/低功耗低功耗(MAX901903)第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关例例.电电压压比比较较器器LM311构构成成的的整整形形电电路路如如图图示示。LM311电电平平转转换换时时间间为为200ns。若若分分别别输输入入频频率率为为fi1=1kHz，fi2=2MHz，fi3=5MHz的的正正弦弦信信号号，试试问问输输出出波波形形将将有有何何变化。变化。fi3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解解第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关3.4 模拟开关模拟开关 浮浮地地模模拟拟开开关关是是电电子子系系统统中中常常用用的的基基本本单单元元电电路路，用来控制信号的通断。用来控制信号的通断。因此理想的模拟开关，应接通时导通电阻因此理想的模拟开关，应接通时导通电阻Ron要尽可要尽可能小，相当于短路；而关断时能小，相当于短路；而关断时Ron要尽可能大，相当于开要尽可能大，相当于开路。此外工作速度要快，各开关间的隔离度要好。路。此外工作速度要快，各开关间的隔离度要好。开关闭合时开关闭合时开关打开时开关打开时第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关1.CC4066四双向模拟开关四双向模拟开关第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 图3.4.3 CD4051引脚图及功能表 (a)引脚图 (b)功能表2.CC4051模拟开关模拟开关第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 MAX4661的引脚图及主要参数的引脚图及主要参数3.MAX46613.MAX4661模拟开关模拟开关第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关1）.增益控制增益控制模拟开关的应用举例模拟开关的应用举例第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关 2）.脉冲调制电路脉冲调制电路第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关3）.模拟开关用于多路信号数据采集模拟开关用于多路信号数据采集