第八章电压比较器

1、第八章第八章信号处理电路信号处理电路8.1有源滤波器有源滤波器8.2电压比较器电压比较器8.1有源滤波器有源滤波器8.1.1滤波电路的作用和分类滤波电路的作用和分类作用：选频。作用：选频。分类：分类： 低通滤波器、低通滤波器、f0fuAlg20O通通阻阻fuAlg20f0O通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2高通滤波器、高通滤波器、 带通滤波器带通滤波器和带阻滤波器。和带阻滤波器。图图 8.1.18.1.2低通滤波器低通滤波器( (LPF) )无源低通滤波器：无源低通滤波器：电压放大倍数为电压放大倍数为0ioj11ffUUAu RCf 210通带截

2、止频率通带截止频率由对数幅频特性知，具有由对数幅频特性知，具有“低通低通”的特性。的特性。电路缺点：电路缺点：电压放大倍数低，只有，且带负载能力差。电压放大倍数低，只有，且带负载能力差。解决办法解决办法：利用集成运放与：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。电路组成有源滤波器。图图 8.1.2一阶低通有源滤波器：一阶低通有源滤波器：0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 电压放大倍数电压放大倍数1Fp1RRAu 通带电压放大倍数通带电压放大倍数可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带通带截止频率相同截止频率相同；但；但通带电压放大倍

3、数得到提高通带电压放大倍数得到提高。缺点：缺点：一阶低通有源滤波器在一阶低通有源滤波器在 f f 0 时，滤波特性不时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为理想。对数幅频特性下降速度为 - -20 dB / 十倍频。十倍频。 解决办法解决办法：采用二阶低通有源滤波器。：采用二阶低通有源滤波器。图图 8.1.3二阶低通有源滤波器：二阶低通有源滤波器：输入电压经过两级输入电压经过两级 RC 低低通电路，在高频段，对数幅频通电路，在高频段，对数幅频特性以特性以 - -40 dB /十倍频的速度十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于下降，使滤波特性比较接近于理想情况。理想情况。020p2ppio1j

4、)(1)j ()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu - - - - 1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ- - 图图 8.1.40.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff11020dB/十倍频十倍频40dB/十倍频十倍频一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：理想特性理想特性图图 8.1.5低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性8.1.3高通滤波器高通滤波器( (HPF) )RCf 210其通带截止频率：其通带截止频率：无源高通滤波器如下图所示。无源高通滤波器如下图所示。图图 8.1.6无源高通滤波器无源高通滤波器ff

5、QffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j ()j3(1)j ( - - - - - 可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为为“镜像镜像”关系。关系。图图 8.1.7二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器( (a) )图图 8.1.7 ( (b) )8.1.4带通滤波器带通滤波器( (BPF) )只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。号阻断。低通低通高通高通iUoUf2fuAlg20O低通低通fuAlg20f1O高通高通阻阻阻阻f2f1fuAlg20

6、O通通图图 8.1.8带通滤波器的典型电路带通滤波器的典型电路)(j1)( j)3(00p00ooffffQAffffAAAuuuu- - - - RCf 210ooop3uuuuQAAAA - - 1Fo1RRAu o31uAQ- - 中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数图图 8.1.98.1.5带阻滤波器带阻滤波器( (BEF) )在规定的频带内，信号被在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。顺利通过。低通低通高通高通iUoUf2f1fuAlg20O通阻通通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通图图 8.1.10

7、带阻滤波器的典型电路带阻滤波器的典型电路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA- - - - - RCf 2101Fp1RRAu )2(21p0uABfQ- - 中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数2201ffffQAAuu- - 0p1j图图 8.1.118.2电压比较器电压比较器电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态

8、或引入正反馈。环状态或引入正反馈。分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双限比较器。限比较器。8.2.1过零比较器过零比较器简单的过零比较器简单的过零比较器由于理想运放的开环差模由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO = - - UOPP ；过零比较器的传输特性为：过零比较器的传输特性为：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 为集成运放的最大为集成运放的最大输出电压。输出电压。阈值电压阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为：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。另

9、一种状态所对应的输入电压。图图 8.2.1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任何一个稳压管被反向设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ当当 uI 0 时，右边的稳压管时，右边的稳压管被反向击穿，被反向击穿，uO = - - UZ ；图图 8.2.28.2.2单限比较器单限比较器单限比较器有一个门限单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立限电平时，输出端的状态立即发生跳变。即发生跳变。REF21TU

10、RRuU- - - -当输入电压当输入电压 uI 变化，使反相变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR- -过零比较器是门限电平为零过零比较器是门限电平为零的单限比较器。的单限比较器。图图 8.2.4图图 8.2.5存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。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

11、办法：采用具有滞：采用具有滞回传输特性的比较器。回传输特性的比较器。8.2.3滞回比较器滞回比较器UREF 为参考电压；为参考电压；输出电压输出电压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ；uI 为输入电压。为输入电压。当当 u+ = u- - 时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。OF22REFF2FuRRRURRRu 比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，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 8.2.6滞回比较器滞回比较器若若 uO= - - UZ ，当，当 uI 逐渐减小时，使逐渐减小时，使

12、uO 由由 - -UZ 跳跳变为变为 UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT- - ZF22REFF2FTURRRURRRU - - - -回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU - - - - 若若 uO = UZ ，当，当 uI 逐渐增大时，使逐渐增大时，使 uO 由由 + +UZ 跳变跳变为为 - -UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+ ZF22REFF2FTURRRURRRU 作用作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。变换。抗干扰能力强抗干扰能力强。图图 8.2.78.2.4双限比较器双限

13、比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，运放，运放 A1 输出低电平，输出低电平，A2 输出高电平，二输出高电平，二极管极管 VD1 截止，截止，VD2导通，输出导通，输出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，运放，运放 A1 输出高电平，输出高电平，A2 输出低电输出低电平，二极管平，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 8.2.8双限比较器双限比较器( (a) )当当 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 时时 ，运放，运放 A1、 A2

14、均输出均输出低电平，二极管低电平，二极管 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 UTH = UREF1 ；下门限电平下门限电平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输时，输出为低电平。出为低电平。图图 8.2.8( (b) )8.2.5集成电压比较器集成电压比较器对集成电压比较器的主要要求：对集成电压比较器的主要要求：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