第3章电压比较器弛张振荡器有模拟开关

3.1电压比较器电压比较器是另一类重要的模拟集成电路，广泛用于“电压比较”、“电平鉴别”、“波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电路”以及“模/数变换(A/D)”等。运算放大器可以作为电压比较器使用，但一般工作速度较慢，而专用电压比较器集成芯片型号多，可根据具体需要来选择。电压比较器或开环运用，或引入正反馈，总体来说工作在“非线性状态”，因此“虚短路”、“虚地”概念一般不能使用。这点特别提醒注意。现在是1页\一共有76页\编辑于星期四3.1.1电压比较器的基本特性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。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，“1”或是“0”。如前所述，比较器都工作在非线性状态,所以“虚短路”概念不能随便应用。现在是2页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.1给出了电压比较器的符号及传输特性曲线。其反相输入端加信号ui，同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般是开环工作的，其增益很大。所以，当ui＜ur时，输出为“高”；反之，当ui＞ur时，输出为“低”。而当ui接近ur时，输出电平发生转换，仅仅在此刻，同相端和反相端可看成“虚短路”。其他时刻U+与U－可能差得很远(即U+≠U－)。电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量(0或1)，可作为模拟和数字电路的接口电路，也可作为一位模/数转换器。现在是3页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.1电压比较器的符号及传输特性曲线(a)符号；(b)传输特性曲线现在是4页\一共有76页\编辑于星期四1.高电平(UoH)和低电平(UoL)电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(－UEE)。专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即UoH=3.4V左右，UoL=－0.4V左右。现在是5页\一共有76页\编辑于星期四2.鉴别灵敏度事实上，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图3.1.1(b)中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法对输入电平大小进行判别。Aud越大，则这个不灵敏区就越小，工程上称比较器的鉴别灵敏度越高。现在是6页\一共有76页\编辑于星期四

3.转换速度作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器的输出状态产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。比较器的转换速度与器件压摆率SR有关，SR越大，输出状态转换时间越短，转换速度越快。现在是7页\一共有76页\编辑于星期四3.1.2电压比较器的开环应用——简单比较器1.过零比较器在图3.1.1(a)中，令参考电平ur=0，则输入信号ui与零比较，ui＞0，输出为低(UoL)，而ui＜0，输出为高，其波形如图3.1.2(a)所示。这种电路可作为零电平检测器。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。现在是8页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.2过零比较器及脉宽调制器输出波形(a)过零比较器整形波形；(b)脉宽调制器输出波形现在是9页\一共有76页\编辑于星期四2.脉宽调制器若参考信号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。所以，开环比较器还可实现脉宽调制，如图3.1.2(b)所示。现在是10页\一共有76页\编辑于星期四【】电路及输入信号波形ui分别如图3.1.3(a)、(b)所示，其中C为交流耦合电容,试分别画出uo1和uo2的波形图。

解(1)判断电路组态。观察电路可知，信号ui经隔直流电路(RC)加到A1同相端，反馈加到反相端，故A1接成同相比例放大器，其增益Auf1=(1+R2/R1)=2。A1输出送到A2同相端，A2开环工作，构成简单比较器，其比较器的参考电压Ur=－2V。现在是11页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.3运放电路、波形图及仿真图现在是12页\一共有76页\编辑于星期四(2)uo1波形。

ui=1V+2sinωt(V)(如图3.1.3(b)所示)，经隔直流后，u+为正弦波。u+=2sinωt(V)(如图3.1.3(c)所示)，经A1放大后，uo1=Auf1×u+=4sinωt(V)(如图3.1.3(d)所示)。(3)uo2波形。

uo1与ur比较，当uo1>ur时,输出为高电平；当uo1<ur时，输出为低电平，故输出波形uo2为矩形波，如图3.1.3(e)所示。仿真结果证明了分析的正确性，如图3.1.3(f)所示。(4)传输特性，如图3.1.4(a)、(b)所示。现在是13页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.4传输特性(a)第一级同相比例放大器传输特性；(b)第二级简单比较器传输特性现在是14页\一共有76页\编辑于星期四3.1.3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如图3.1.1(a)所示的比较器存在两个问题：一是输出电压转换时间受比较器翻转速度(压摆率SR)的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭(如图3.1.5(a)所示)；二是抗干扰能力差，如图3.1.5(b)所示，若ui在参考电压ur(=0)附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，直至ui远离ur值才稳定下来。如果对受干扰的uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。现在是15页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.5简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况(a)输出波形边缘不陡峭；(b)受干扰情况现在是16页\一共有76页\编辑于星期四2.迟滞比较器电路及传输特性为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成正反馈比较器，即所谓的“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，而且，由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。现在是17页\一共有76页\编辑于星期四1)反向输入的迟滞比较器反向输入的迟滞比较器电路如图3.1.6(a)所示。其中R2将uo反馈到运放的同相端与R1一起构成正反馈，其正反馈系数F正为下面我们来分析该电路的传输特性。现在是18页\一共有76页\编辑于星期四因为信号加在运放反相端，所以ui为负时，uo必为正，且等于高电平UoH=UCC。此时，同相端电压(U+)为参考电平Ur1:(3.1.2)当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出将由高电平转换为低电平。我们称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电压，记为UTH，即现在是19页\一共有76页\编辑于星期四(3.1.2)而后，ui再增大，uo将维持在低电平。注意此时比较器的参考电压Ur也将发生变化，即(3.1.4)现在是20页\一共有76页\编辑于星期四可见，当ui由正变负的比较电平将是Ur2(负值)，故只有当ui变得比Ur2更负时，uo才又从低变高。所以，称Ur2为下门限电压，记为UTL，即(3.1.5)综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，因此称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上、下门限之差称之为回差，用ΔU表示：现在是21页\一共有76页\编辑于星期四(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比较器的抗干扰能力。如图3.1.7所示,由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平上，当ui上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差ΔU，则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。现在是22页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.7迟滞比较器输出波形现在是23页\一共有76页\编辑于星期四应该指出，回差ΔU的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。2)同相输入的迟滞比较器电路如图3.1.8(a)所示，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地(U－=0)。当ui为负极性时，uo也为负，且Uo=UoL。只有当ui极性变正，且当同相端电压U+=U－=0时，输出状态才可能由负(UoL)向正(UoH)跳变，据此我们可以确定UoL→UoH跳变的上门限电压UTH为现在是24页\一共有76页\编辑于星期四即故(3.1.3)现在是25页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.8同相输入迟滞比较器及其传输特性曲线(a)电路；(b)传输特性曲线现在是26页\一共有76页\编辑于星期四同理，当ui由正向负变化时，可确定Uo由高电平(UoH=UCC)向低电平(UoL=－UEE)跳变的下门限电压UTL为(3.1.8)其传输特性曲线如图3.1.8(b)所示，读者可自行分析。迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态，且具有记忆功能。【例3.1.2】电路如图3.19(a)所示，输入电压ui的波形如图3.1.9(b)所示，试画出uo1、uo2的波形图。现在是27页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.9电路图与波形图现在是28页\一共有76页\编辑于星期四

解(1)判断电路组态。观察电路可知，A1组成反相比例放大器，A2组成反相输入迟滞比较器，其传输特性分别如图3.1.10(a)、(b)所示。(2)uo1波形。A1组成反相比例放大器，闭环增益Auf1=－R2/R1=－5,故uo1波形如图3.1.9(c)所示。uo1=－5×ui=－5×1.6sinωt=－8sinωt(V)现在是29页\一共有76页\编辑于星期四(3)uo2波形。根据反相输入迟滞比较器的传输特性，UTL=－6V，回差ΔU=12V,故得uo2波形如图3.1.9(d)所示。现在是30页\一共有76页\编辑于星期四图3.1.10传输特性(a)第一级反相比例放大器传输特性；(b)第二级迟滞比较器传输特性现在是31页\一共有76页\编辑于星期四3.2弛张振荡器弛张振荡器即方波—三角波产生器。对于方波信号发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳。为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发生器称之为弛张振荡器。弛张振荡器必须是一个正反馈电路。它由两部分组成：一部分是状态记忆电路;另一部分是定时电路，定时电路是用来控制状态转换时间的电路。如图3.2.1所示，一般用迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。现在是32页\一共有76页\编辑于星期四图3.2.1弛张振荡器框图现在是33页\一共有76页\编辑于星期四3.2.1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3.2.2(a)所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器，RC构成积分器即定时电路。其波形如图3.2.2(b)所示。现在是34页\一共有76页\编辑于星期四图3.2.2单运放弛张振荡器电路及波形现在是35页\一共有76页\编辑于星期四假定输出为高电平(UoH)，且电容初始电压uC(0)=0，那么电容被充电，uC(t)以指数规律上升，并趋向UoH。此时，运放同相端电压U+为(3.2.1)该电压为比较器的参考电平。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。我们将此时的U+记为高门限电压UTH,即现在是36页\一共有76页\编辑于星期四(3.2.1)一旦Uo变为低电平，电容就开始放电，后又反充电，uC以指数规律下降，并趋向UoL。但是，因为此时的U+变为另一个参考电平(下门限电压)(3.2.3)现在是37页\一共有76页\编辑于星期四所以，当uC下降到UTL时，输出又从低电平跳变到高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为Uopp=UoH－UoL=2UCC(3.2.4)电容电压uC(t)为近似的三角波，其峰峰值为(3.2.5)现在是38页\一共有76页\编辑于星期四因为电容充电和放电时常数均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。现在来计算振荡频率f0。首先计算时间T1。如图3.2.2(b)所示，根据三要素法，电容电压uC(t)为(3.2.6)现在是39页\一共有76页\编辑于星期四式中(3.2.7)现在是40页\一共有76页\编辑于星期四将式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得振荡器可见，改变时常数RC及正反馈系数(即R2/R1比值)均可改变振荡频率f0。现在是41页\一共有76页\编辑于星期四【】图3.2.2(a)电路中，若C=0.1μF，R=50kΩ，R1=R2=10kΩ,UCC=|UEE|=12V，试求uo(t)及uC(t)的波形幅度及频率。

解(1)uo(t)为方波，其幅度Uom=UoH=|UoL|≈UCC=12V。(2)uC(t)为近似三角波，UC(t)幅度为现在是42页\一共有76页\编辑于星期四(3)振荡频率f0为现在是43页\一共有76页\编辑于星期四3.2.2双运放构成的弛张振荡器我们知道，图3.2.2的RC电路不是理想的积分器，它不能保证电容恒流充放电，所以三角波线性不好。如果将RC电路改为理想积分器，保证电容恒流充放电，则可以产生线性很好的三角波。现在是44页\一共有76页\编辑于星期四如图3.2.3所示，运放A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器。A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成三角波，反过来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，其波形如图3.2.4所示。现在是45页\一共有76页\编辑于星期四图3.2.3双运放方波—三角波振荡器现在是46页\一共有76页\编辑于星期四图3.2.4双运放方波—三角波振荡器输出波形现在是47页\一共有76页\编辑于星期四1.uo1和uo2幅度的计算(1)uo1的幅度。由图可见，uo1的高电平UoH=UCC，低电平UoL=－UEE，所以其峰峰值为Uo1pp=2UCC(3.2.9)uo2为三角波。当uo1为高电平时，C充电，充电电流(α为电位器RW的分压比)，uo2随时间线性下降。再看A1，其反相端接地，当U+过零时，A1输出状态翻转，而U+等于uo1和uo2的叠加，即现在是48页\一共有76页\编辑于星期四故(2)uo2的幅度。同理，当uo2为低电平时，C反充电，充电电流，uo2随时间线性上升，当U+再次过零时，算出现在是49页\一共有76页\编辑于星期四故所以(3.2.10)可见，若R1＞R2，三角波的幅度可以超过方波的幅度。现在是50页\一共有76页\编辑于星期四2.频率f0的计算我们知道，在T1时间间隔内，电容C的电压增量ΔUC=。由式ΔUC=ΔQ/C计算得现在是51页\一共有76页\编辑于星期四故(3.2.11)可见，改变分压比α可以改变恒流充放电电流，从而可以微调振荡频率。现在是52页\一共有76页\编辑于星期四【】图3.2.3电路中，若UCC=UEE=12V，R1=R2=10kΩ,RW=10kΩ，α=0.5,R=100kΩ，C=0.01μF，求uo1(t)、uo2(t)波形的幅度及振荡频率。解(1)uo1(t)为方波，其振幅Uo1m≈UCC=12V。(2)uo2(t)为理想三角波，其振幅现在是53页\一共有76页\编辑于星期四(3)振荡频率现在是54页\一共有76页\编辑于星期四3.3单片集成专用电压比较器用运算放大器作为比较器，一般响应速度太慢，转换时间和延迟时间太长。有专门的单片集成电压比较器可供选择。专用的单片集成电压比较器作为模拟电路与数字电路的接口电路，其输出电平可以与TTL、CMOS或ECL兼容，有些芯片带负载能力很强，还可以直接驱动继电器和指示灯。有的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。现在是55页\一共有76页\编辑于星期四单片集成电压比较器有单比较器、双比较器和四比较器之分。有的输出管集电极开路，使用时必须外加一个上拉电阻到正电源电压。有的电压比较器具有选通端，用来控制比较器处于工作状态或禁止状态。有的电压比较器还带有锁存功能，可将比较后的状态锁存起来。表3.3.1给出了若干单片集成电压比较器的型号、典型接法和主要参数，供读者在选择和使用比较器时参考。现在是56页\一共有76页\编辑于星期四表3.3.1集成专用电压比较器举例现在是57页\一共有76页\编辑于星期四现在是58页\一共有76页\编辑于星期四现在是59页\一共有76页\编辑于星期四现在是60页\一共有76页\编辑于星期四【】由单片集成电压比较器LM311构成的整形电路如图3.3.1(a)所示，LM311的输出电平转换时间为200ns。若分别输入频率为fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信号，试问输出波形将有何变化。

解(1)对于fi1=1kHz的输入信号，比较器的输出为方波(如图3.3.1(b)第一个波形所示)。现在是61页\一共有76页\编辑于星期四(2)对于fi2=1MHz的输入信号，比较器的转换时间将对波形有较大影响，其输出方波的边缘已经很差(如图3.3.1(b)第二个波形所示)。(3)对于fi3=5MHz的信号，其周期为200ns，半个周期时间为100ns，已经少于比较器的转换时间(200ns)，比较器的状态根本来不及翻转，故输出波形为一不变的直线(如图3.3.1(b)第三个波形所示)。所以，我们在使用器件时，一定要注意器件的特性是否满足我们的实际需要。现在是62页\一共有76页\编辑于星期四图3.3.1电压比较器和输出波形(a)电路；对应不同信号频率的输出波形现在是63页\一共有76页\编辑于星期四3.4模拟开关模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号的通断。一个理想的模拟开关，接通时相当于短路，关断时相当于开路，工作速度要快，各开关间的隔离度要好。模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用MOS场效应管构成。CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。现在是64页\一共有76页\编辑于星期四模拟开关可传输数字信号，也可传输模拟信号，它是一种模拟器件，与数字电路中的数据选择器有所不同。数据选择器只能传输数字信号，即使输入为正弦信号，其输出也会变成只有高低电平之分的二值(0，1)信号。模拟开关则不同，如果输入信号为正弦波，当开关接通时，其输出仍为正弦波，所以模拟开关与数字选择器是完全不同的两种器件。现在是65页\一共有76页\编辑于星期四3.4.1常用的模拟