第3章电压比较器

1、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 电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并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 电压电压比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成运放比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成运放组成。组成。用作比较器的运放将用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性工作在开环或

2、正反馈的非线性状态。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) 用运放构成的比较器，其输出的高电平用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH和低电平和低电平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 理想的电压比较器，在理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限高、低

3、电平转换的门限UT处处具有阶跃的传输特性。具有阶跃的传输特性。 实际运放的实际运放的Aud不为无穷大。在不为无穷大。在UT附近存在着一个比附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH，也非，也非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udA 要求运放：要求运放： 显然，显然，Aud越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器越大，则这个不灵敏区就越小，称比较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

4、时间。比较器输出状态发生转换所需要的时间。 通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。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：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU 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。 i-i+第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开

5、关 1.) 反相电压比较器反相电压比较器 电路如图所示，电路如图所示， 输入信号输入信号ui加在加在反相端，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。 0UoH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

6、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。 试画出反相和同相比试画出反相和同相比较器的输出波形。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为三角波，而为三角波，而ui为缓为缓变信号，实现脉宽调制。变信号，实现脉宽调制。 反相比较器反相比较

7、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 0UoH 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决方法：在比

8、较器中引入解决方法：在比较器中引入正反馈正反馈，构成，构成 “迟滞比较器迟滞比较器”。有很强的抗干扰能力。同时，由于有很强的抗干扰能力。同时，由于正反馈加速了状态转换正反馈加速了状态转换，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112foHRUUURR当输出一旦变为低电平，则同相端也

9、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。UUU第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关112oLRUUURR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 因而因而ui必须小到必须小到 时，输出才由低电平跳变为高电平。时，输出才由低电平跳变为高电平。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= UU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： UTHUTL112THoHRUURR112TLoLRUURR第三章 电压比较器

10、、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，111212()2THTLoHoLCCRRUUUUUURRRR 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

11、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。1012210 50THUV10( 12)210 50TLUV 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滞比较器输出波形有干扰下的迟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211212ioLRRUuU

12、RRRR 当当ui由负增大到使由负增大到使U+=0时，输出将由低电平跳变为时，输出将由低电平跳变为高电平。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=012THoLRUUR 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211212ioHRRUuURRRR 反之，反之，ui由正减小到使由正减小到使 时，输出将由高电平跳变时，输出将由高电平跳变为低电平。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。0U 传输特性如图所示。传输特性如图所示。=012TLoHRUUR 由上

13、式解得由上式解得12THoLRUUR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。10( 12)260THOLUUV 12RR10(12)260TLUV解解第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关振荡器（又称波形产生器）振荡器（又称波形产生器）是一种没有输入信号，在加是一种没有输入信号，在加电之后能自动产生一定形状、一定幅度和一定频率波形电之后能自动产生一定形状、一定幅度和一定频率波形的电路的电路。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为。根据

14、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 方波振荡器是由运放构成反相迟滞比较器，再加一条方波振荡器是由运放构成反相迟滞比较器，再加一条RC充放电支路构成。充放电支路构成。212TLoLoLoHRUUUURR-212THoHRUURR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

15、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UoHUoL1）. 电路振荡原理电路振荡原理 加电后若加电后若uo=UoH，UoH通过通过R向向C充电，充电，ui增大增大，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反向充电，反向充电，ui减小减小，降到降到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212TLoLRUURR212THoHRUURR

16、第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开关11( )(0 )ln( )()CCCCuuTuuT 121ln2ln(1)oHTLoHTHUUTUURRCR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：0121111222ln(1)fRTTRCR则振荡频率则振荡频率21221120()CTLoLCoHCTHoHRUUURRUURuTUURRRC（ ）（）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2112ln(1)RTRCR0121111222ln(1)fRTTRCR第三章 电压比较器、张驰振荡器及模拟开

17、关062131122 10250.1 10ln(1)2ln(1)1011825 10ln3fRRCRHz3210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. 三角波三角波- -方波振荡器方波振荡器电路组成原理电路组成原理替换替换第三章 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

18、电压比较器、张驰振荡器及模拟开关12THoLRUUR 12TLoHRUUR 3）. 振荡频率振荡频率f0的确定的确定122THTLCoHRUUUUUR 122022121124R RCRTfRTTR RCoHCUiR1222TTTT 在在T2时间内，时间内，uC的变化量的变化量2201ToHCCUUi dtTCRCoLoHUU 122oHRUR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。3203361120 10100044 10

19、 1050 100.01 10RfHzTR RC112o moHCCUUUV112221012620o moHCCRRUUUVRR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

20、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. 电压比较器电压比较器LM311构成的整形电路如图示。构成的整形电路如图示。LM311电平转换时间为电平转换时间为200ns。若分别输入频率为。若分别输入频率为fi1=1kHz，fi2=2MHz，fi3=5MHz的正弦信号，试问输出波形将有何的正弦信号，试问输出波形将有何变化。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 浮地模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，浮地模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号