第三章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关演示幻灯片

1,第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,本章重点介绍电压比较器、弛张振荡器，简单介绍模拟开关。,3.1电压比较器3.2弛张振荡器3.3单片集成专用电压比较器3.4模拟开关,2,3.1电压比较器,电压比较器广泛用于“电压比较”、“电平鉴定”、“波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电路”以及“模/数变换”等。,一、电压比较器的基本特性,电路特点：开环或者引入正反馈，总体放大器工作于“非线性”状态，“虚短路”和“虚地”概念不适用。,输出：比较器输出只有两个状态，“1”或是“0”。,功能：电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。,3,电压比较器一般是开环工作，其增益很大。,电压比较器的符号及传输特性,电压比较器的符号,电压比较器的传输特性,电压比较器的输入输出关系：,电压比较器的输出要么为高电平“1”，要么为低电平“0”，因此电压比较器可作为模/数转换器。,4,1、高电平(UoH)和低电平(UoL),电压比较器的性能指标,专用比较器的输出电平：,2、鉴别灵敏度,3.转换速度：比较器的输出状态产生转换所需的时间,（不灵敏区）,一般要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。转换速度与器件压摆率SR有关，SR越大，输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度越高。,5,二、电压比较器的开环应用简单比较器,这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。,1.过零比较器,若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化，从而实现脉宽调制。,2.脉宽调制器,6,例3.1.1电路和输入信号如图，试分别画出uo1和uo2的波形。,解：,隔直,7,存在问题：,三、迟滞比较器正反馈比较器双稳态触发器,1、简单比较器应用中存在的问题,一是压摆率的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭,二是抗干扰能力差,8,2、迟滞比较器电路及传输特性,1)反相输入的迟滞比较器,在简单比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。,电源供电电压UCC和-UEE,当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出由高电平转换为低电平。称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电平UTH,9,由于参考电位的变化，若输入一直为正，则输出不再发生变化，只有当输入比参考电位更负，输出才发生跳变，由低电平变为高电平。此时对应的参考电位为下门限电平UTL。,此后ui继续增大，uo一直维持在低电平。此时参考电压为：,综上所述，迟滞比较器的传输特性如图,+,回差电压：,10,2)同相输入的迟滞比较器,同相输入迟滞比较器电路如图,当ui极性变正且同相端电压U+=U-=0时，输出状态才可能由负UOL向正UOH发生跳变。,即：,同理：,同相输入迟滞比较器传输特性,11,1、具有很强的抗干扰能力,2、正反馈加速了状态转换，改善了输出波形的边缘,迟滞比较器的特点：,3、具有两个状态，且具有记忆功能,迟滞比较器又称为施密特触发器或者双稳态电路。,例3.1.2电路如图(a)，输入波形如图(b)，试画出uo1和uo2的波形。,12,解：,1、电路组态分析,A1组成反相比例放大器,A2组成反相输入迟滞比较器,13,3.2弛张振荡器,弛张振荡器是方波-三角波产生器，对于方波信号，其状态有时维持不变，有时发生突跳。为区别正弦振荡器而称之为弛张振荡器。,电路特点：正反馈电路，由两部分组成：一部分为状态记忆电路，一部分为定时电路，用来控制状态转换的时间。,弛张振荡器框图,14,一、单运放弛张振荡器,单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如图所示,单运放弛张振荡器及其波形,15,单运放弛张振荡器特性分析,假定输出为高电平，且电容出示电压为uc(0)=0，则电容按指数规律充电，并趋向UoH，此时U+为：,当uC上升到该电平值时，即U-=U+，则输出状态要发生翻转，即由高电平跳变到低电平UoL。此时的U+记为高门限电压UTH：,比较器参考电压,由高电平跳变到低电平UoL时，电容开始放电，并反向充电，并趋向UOL，此时参考电压为：,16,当电容电压uc(t)下降到UTL时，输出从低电平跳变为高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为：,由于RC不是理想的积分器，因此电容电压uC上近似为三角波，其峰峰值为：,由于电容充放电时间常数都为T=RC，因此T1=T2，占空比为D=T2/T1=50%。,分析计算振荡频率f0,17,当t=T1时，发生转换：,其中：,根据三要素法，电容电压为：,从而,振荡频率为：,18,例3.2.1电路如图，设C=0.1F，R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,试求uo(t)和uc(t)的波形幅度和频率。,解：,3)振荡频率为：,1）uo(t)为方波，其幅值为：,2）uc(t)近似为三角波，其幅值为：,19,二、双运放构成的弛张振荡器,双运放方波-三角波振荡器,电路特点：,A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器,理想积分器保证电容恒流充放电，因而三角波线性很好。,电路工作原理：,A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成线性度很好的三角波，三角波又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡。,20,双运放方波三角波振荡器的输出波形,Uo2m,Uo2m,21,uo2为三角波，当uo1为高电平时，C充电电流为ic=UoH/R，uo2随时间线性下降。A1反相端接地，当U+过零时，A1输出状态发生变化，,a)uo1的幅度,1）uo1和uo2的幅度计算,故,22,当uo1为低电平时，C反充电，充电电流为ic=UoH/R，uo2随时间线性上升。当U+再次过零时，有：,b）uo2的幅度,故,因此,当R1R2时，三角波的幅度将超过方波的幅度。,23,在T1时间间隔内，电容C的电压增量为：,2）频率fo的计算,结论：通过改变分压比可以改变恒流充放电电流，从而可以微调振荡频率。,24,3.3单片集成专用电压比较器,运放作为电压比较器存在问题：响应速度慢，转换时间和延迟时间太长。,专用单片集成电压比较器的响应速度非常快，其转换时间仅为1-3ns。,专用单片集成电压比较器可以作为模拟电路和数字电路的接口电路，输出电平与TTL、CMOS或ECL兼容，,专用单片集成电压比较器有单比较器、双比较器和四比较器。,25,3.4模拟开关,模拟开关是电子系统中常用的基本单元，主要控制信号的通断。,理想模拟开关的特性是：接通时相当于断路，关断时相当于开路，工作速度快，开关间的隔离度好。,模拟开关可以有双极性晶体管组成，也可以由MOS场效应管组成。,CMOS模拟开关：电路简单，功耗小，导通电阻小，关断电阻大的特点，因而应用广泛。,模拟开关可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，是一