第22讲：微积分-比较器电路

反相加法运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–R2=Ri1

//Ri2

//RF减法运算电路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如取R1

=R2

，R3

=RF

复习：集成运算放大器的管脚和符号

Vo+12V

--12V

8765

1234μA741调零调零悬空V–V+16.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有uitO积分饱和线性积分时间–UO(sat)uOtO+UO(sat)uI=UI>0

uI=–UI<0

输出电压随时间线性变化UI–UI线性积分时间线性积分时间

采用集成运算放大器组成的积分电路,由于电路的uO

=

uC，而电容的充电电流基本上是恒定的，故uO

是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。≤≤若输入信号电压为恒定直流量，即uI=UI

时，则例1：分析电路uo与ui的关系。ifi1解：本电路将比例运算和积分运算结合在一起uoCFuiR2R1++––++–RF∴上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分∴这种电路称为“比例-积分”（简称PI）调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。例2：如图，ui=±5V,R1=50KΩ,C=1uF,uc(0)=0,试画出uo波形。uoCFuiR2R1++––++–解：典型的积分电路采用坐标平移法：0～10msu0tO-1V但C上电压不能突变，仍然随着时间上升，u0回升，再过10ms,回复到0，此后继续上升，到30ms时升为1V1V例3：如图，ui=±5V,R1=50KΩ,C=1uF,uc(0)=0,试画出uo波形。uoCFuiR2R1++––++–解：（与前有何不同自己做）采用坐标平移法：0～10ms但C上电压不能突变，仍然随着时间上升，u0回升，再过10ms,回复到0C上电压不能突变第22题例

4在图示的电路中。（1）写出输出电压uo与输入电压ui的运算关系。（2）若输入电压ui=1V，电容器两端的初始电压uC=0V，求输出电压uo变为0V所需要的时间。解前分析：积分电路加法电路16.2.5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui动画例4：分析电路uo与ui的关系。上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分所以称为“比例-微分”（简称PD）调节器。控制系统中，在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3.3

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态一.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo

=–

Uo

(sat)可见，在ui

=UR处输出电压uo

发生跃变。参考电压1.过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波uouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t22.单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t23.输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

存在问题：单门限比较器的抗干扰能力应为高电平错误电平二.滞回比较器

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RFR2uoui++–R1+–+–－－当uo=+Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制上门限电压当uo

=–Uo(sat)，则下门限电压上门限电压U'+

：ui

逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++–R1+–+–回差电压VH=U+’-U+’’解：上门限电压

下门限电压例1：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO-6-226

电压传输特性

－++uoRR2R1ui－++uoRR2R1ui没加参考电压的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器UR根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时定义：回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF

或R2

可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影回差电压U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。解：例2：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压，并绘出电压传输特性曲线。+UR–RFR2uoui++–R1+–+–电压传输特性uouiO-661.335.33

例3：(抑制干扰示例)

R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V当输入ui

为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiUR5V10Vuit0

门限电压：+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图uiuott10V5V002V三.窗口比较器

电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成设R1=R2，则：

当vI＞VH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平,D4截止，vO=vO1。

当vI＜

VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO=vO2

当VH

＞vI＞

VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为为低电平。

简略介绍

要求掌握：16.5使用运方应注意的几个问题输入端保护——2个二极管输出端保护