简单电压比较器迟滞比较器窗口比较器

简单电压比较器迟滞比较器7.4集成运放的非线性应用

窗口比较器概述1目前一页\总数七十一页\编于十点uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，输入大于,则输出uo要么为+UOM，要么为-UOM。线性放大区*复习uiuo_++Aou-u+2目前二页\总数七十一页\编于十点概述运放的非线性应用

1.电路中的运放处于非线性状态。++Auoui比如：运放开环应用uoui运放开环、有正反馈时，处于非线性状态3目前三页\总数七十一页\编于十点ui>0时：ui<0时：uoui0传输特性2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。-+AuoR1RF1RF2DuiD导通D截止负反馈4目前四页\总数七十一页\编于十点由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.ri仍可以认为很大。3.rO=0。3.电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。5目前五页\总数七十一页\编于十点tuiuotUZ-UZ–+AuoR1RFuiDZR+运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件——稳压二极管。R：限流电阻。一般取100。DZ双向稳压管例：限幅器6目前六页\总数七十一页\编于十点–+AuoR1RFuiDZ+当时，在双向稳压管的作用下，当时，双向稳压管不通，运放工作在线性状态。*另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。反向比例运算电路7目前七页\总数七十一页\编于十点–+AuoR1RFuiUZ+uoui0+UZ+UZ传输特性8目前八页\总数七十一页\编于十点由于稳压管被反向击穿时，将引入一个深度负反馈，此时集成运放工作在线性区，且其反相输入端“虚地”。tuiuot过零附近运放仍处于线性区–+AuoR1RFuiUZ+9目前九页\总数七十一页\编于十点电压比较器的主要作用是进行电平检测。7.4.1简单电压比较器利用电压比较器进行电平检测波形示意图tuI0uO0tuR参考电压10目前十页\总数七十一页\编于十点

功能:比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系);用途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。2．运放的工作状态

比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用。1．电压比较器的功能11目前十一页\总数七十一页\编于十点

常用的电压比较器有：零电平比较器(过零比较器)非零电平比较器(单限比较器)迟滞比较器（滞回比较器）窗口比较器(双限比较器)3．电压比较器的类型简单比较器12目前十二页\总数七十一页\编于十点

（1）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平。

（2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。

（3）灵敏度：输出电压跳变的前后，输入电压之差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高，抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。

（4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间。4、电压比较器的性能指标13目前十三页\总数七十一页\编于十点5．电压比较器的分析方法若U-＞U+则UO=-UOM；若U-＜U+则UO=+UOM。只有当U-=U+时，输出状态才发生跳变；反之，若输出发生跳变，必然发生在U-=U+的时刻。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！Ui=U--U+uo+UOM-UOM理想情况实际情况电压比较器在输出状态跳变过程中，运放可视为在线性区工作。按理想情况分析14目前十四页\总数七十一页\编于十点uoU+-U-0+UOM-UOM++uoU+U_uo0+UOM-UOMU--U+注意：称之为同相比较器称之为反相比较器15目前十五页\总数七十一页\编于十点++uouiURuoui0+Uom-UomURUR为参考电压(阈值电压：P285定义)当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

一、非零电平比较器若ui从同相端输入（同相电压比较器）16目前十六页\总数七十一页\编于十点++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

若ui从反相端输入电压比较器（反相电压比较器）17目前十七页\总数七十一页\编于十点uoui0+UOM-UOM++uoui:当UR=0时++uouiuoui0+UOM-UOM电压比较器二、零电平比较器18目前十八页\总数七十一页\编于十点++uouituituo+Uom-Uom利用电压比较器将正弦波变为方波。电压比较器例题：UR=0uoui0+UOM-UOM19目前十九页\总数七十一页\编于十点++uiuoui0+UZ-UZuoUZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了正向压降UF电压比较器用稳压管稳定输出电压20目前二十页\总数七十一页\编于十点为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。作用：a）使Uo∠0时的输出更接近0；b）DZ有存储效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。D※21目前二十一页\总数七十一页\编于十点迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、

施密特触发器）单限比较器的优点是电路结构简单，灵敏度高。但是，主要缺点是抗干扰能力差。如果输入电压因受干扰或噪声的影响，单限比较器的输出端电压将会在高、低两种电平之间频繁地反复跳变，使电路不能稳定工作。波形示意图如右所示：单限比较器的优缺点：tuI0uO0t门限电平+(UZ+UD)-(UZ+UD)22目前二十二页\总数七十一页\编于十点1.迟滞比较器(下行)特点:电路中使用正反馈和uo相连，而uo有两个值，所以对应的U+就有两个值。故阈值电压就有两个值。1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+（反相滞回比较器）23目前二十三页\总数七十一页\编于十点－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L设ui

,当ui=<U+L,

uo从-UOM+UOM这时,uo=-UOM,U+=U+L设初始值:

uo=+UOM,U+=U+H设ui,当ui=>U+H,

uo从+UOM-UOM迟滞比较器Hom211+UURRRU+=+=LU+24目前二十四页\总数七十一页\编于十点uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压U+L下门限电压U+H-U+L称为回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+迟滞比较器传输特性25目前二十五页\总数七十一页\编于十点tuiU+HU+LtuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+迟滞比较器例:设输入为正弦波,画出输出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假设开始时UO为UOM想想:假设开始时UO为–UOM?26目前二十六页\总数七十一页\编于十点－++uoRR2R1uiUR上下限（用叠加定理）uoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行)：U+=U-时所对应的ui值就是阈值是否阈值？27目前二十七页\总数七十一页\编于十点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。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性上下限：=10V=2V迟滞比较器例题：2V10V28目前二十八页\总数七十一页\编于十点2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR迟滞比较器2V10Vtt29目前二十九页\总数七十一页\编于十点滞回比较器可以组成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生电路，也可以实现波形变换。与单限比较器相比，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。波形示意图如右所示：tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平滞回比较器的主要优点30目前三十页\总数七十一页\编于十点tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平干扰太大，滞回功能会失效31目前三十一页\总数七十一页\编于十点－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器迟滞比较器(下行)两种电路传输特性的比较:32目前三十二页\总数七十一页\编于十点0URRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui0URRRRRRom211212=+-+ui当uo=-UOM当uo=+UOMui=ui=迟滞比较器2.迟滞比较器(上行)（同相滞回比较器）

令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前学习的过零同相比较器33目前三十三页\总数七十一页\编于十点U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线－++uoRR2R1ui上下门限电压迟滞比较器34目前三十四页\总数七十一页\编于十点－++uoRR2R1uiUR上下门限电压URURRRuRRRom211i212=+++当uo=+UOM当uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURUR

R2RR21++UR

R2RR21++加上参考电压后的迟滞比较器(上行)：35目前三十五页\总数七十一页\编于十点－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui对照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：36目前三十六页\总数七十一页\编于十点

输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值；阈值电压的数值UH（U+H、U+L）；当ui变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。

为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：注意：37目前三十七页\总数七十一页\编于十点电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，为数字量；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。38目前三十八页\总数七十一页\编于十点在如图所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V，输入电压为如图所示的三角波，试画出输出电压。[例1]电压传输特性的趋势.UT的具体值有待下面求得.无正反馈,单阈值39目前三十九页\总数七十一页\编于十点解：令uN=uP=0，则求出阈值电压所以画出输出波形如图所示：40目前四十页\总数七十一页\编于十点141目前四十一页\总数七十一页\编于十点在左图（a）所示电路中，已知R1=50kΩ，R2=100kΩ，稳压管的稳定电压UZ=±9V，输入电压uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波形。[例2]有正反馈,双阈值42目前四十二页\总数七十一页\编于十点解：输出高电平和低电平分别为UZ=±9V，阈值电压画出电压传输特性如图（c）所示。根据电压传输特性便可画出uo的波形，如图（b）所示。从波形可以看出，uI的变化在±UT之间时，uo不变，表现出一定的抗干扰能力。两个阈值电压的差值愈大，电路的抗干扰能力愈强，但灵敏度变差；因此应根据具体需要确定差值的大小。三要素法：43目前四十三页\总数七十一页\编于十点设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示，要求所用电阻值在20~100kΩ之间。※讨论题3解：根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，而且uo=UZ=±6V，UT1=UT2=3V，电路没有外加基准电压，故电路如图（b）所示。求解阈值电压的表达式：44目前四十四页\总数七十一页\编于十点所以，若取R1为25kΩ，则R2应取为50kΩ；若取R1为50kΩ，则R2应取为100kΩ。故本题有无问题？问题在哪里？请改正之！※45目前四十五页\总数七十一页\编于十点实验中的加热装置可用一个100Ω/2W的电阻RT模拟，将此电阻靠近Rt即可。差动放大电路滞回比较器三极管放大电路如图所示，它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻（NTC元件）Rt为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加热器“加热”与“停止”.改变滞回比较器的比较电压UR即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定实例1请同学们自荐或推荐一两名同学做此实验46目前四十六页\总数七十一页\编于十点由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后给A2组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电压UR相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三极管T饱和导通。通过发光二极管LED的发光情况，可见负载的工作状态为加热。反之，当同相输入信号小于反相输入端电压时，A2输出负饱和电压，三极管T截止，LED熄灭，负载的工作状态为停止。调节RW4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。

电桥的主要功能是把微小的电压变化或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来，这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏，如果没有电桥的稳定性功能是很难解决这些出现在个别元器件上的偏差的。加热停止加热47目前四十七页\总数七十一页\编于十点调整管取样电路脉宽调制(PWM)电路开关调整管控制滤波频率固定的三角波误差放大续流iLUIuBT比较放大器比较器uE

A

CIoR1uFLUOuAUREFuFCR2RLD基准电压三角波发生器uT开关稳压电源的基本工作原理一、串联型开关稳压电路组成框图误差放大器放大的是比较出来的结果.就是采样和基准的误差，所以比较放大器是放大比较出来的误差。实例248目前四十八页\总数七十一页\编于十点1.

取样环节：

R1、R2分压提取取样电压uF（反馈电压）2.

基准电压环节：提供稳压的基准电压UREF3.

放大环节：比较放大器A1，放大差值（UREF－uF）4.

调整环节：调整管T由开关信号uB控制通断，稳定输出电压UO详解T-+49目前四十九页\总数七十一页\编于十点5.

LC滤波器及续流二极管D：滤波和续流得到平稳的直流电压。6.

脉宽调制比较器C：反相端接uT（三角波发生器的输出），同相端接uA（比较放大器输出），输出开关信号uB驱动调整管。三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路(PWM)T-+50目前五十页\总数七十一页\编于十点当uB为高电平→T饱和、D截止，uE=UI,经LC滤波到负载RL同时iL↑时→L和C储存能量当uB为低电平→T截止、D导通，uE＝－UD≈0，D续流→LC泄放能量给RL供电，输出较平稳的直流电压开关电源的工作原理T-+51目前五十一页\总数七十一页\编于十点工作波形—占空比OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式(PWM)T-+52目前五十二页\总数七十一页\编于十点稳压原理T-+53目前五十三页\总数七十一页\编于十点忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量:Vo的推算过程54目前五十四页\总数七十一页\编于十点实例3

比较器在D类放大器的应用PMOSNMOS从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器

55目前五十五页\总数七十一页\编于十点送入低通滤波器前的信号56目前五十六页\总数七十一页\编于十点:

求下图所示电压比较器的阈值，并画出传输特性。课堂练习设UOH=12V，UOL=-12V，VD为理想二极管。1257目前五十七页\总数七十一页\编于十点输入信号的频谱图滤波前输出信号的频谱图滤波后输出信号的频谱图58目前五十八页\总数七十一页\编于十点2参考答案：上下阈值分别为：UO=UOH时，UD导通，UR=（10/30）*12+(20/30)*UTH1=9VUTH1=(9-4)(2/3)=7.5VUO=UOL时，UD截止，UTH2=9V为同相滞回比较器，传输特性如下，59目前五十九页\总数七十一页\编于十点UTH1=(30*2)/(10+30)+(10*6)/(10+30)=3VUTH2=(30*2)/(10+30)+[10*(-6)]/(10+30)=0V1参考答案:上下阈值分别为为反相滞回比较器其传输特性如下：60目前六十页\总数七十一页\编于十点了解

双限比较器（窗口比较器）其中：UA>UBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给定电压VA、VB之间，而窗口比较器具有这一功能。其电路及传输特性曲线如右下图所示：61目前六十一页\总数七十一页\编于十点由图可知：当uI<UB时：A1的输出端为低电平；A2的输出端为高电平，则二极管D2导通，D1截止，输出电压uO为高电平。特性曲线如右图所示：

双限比较器的工作原理RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB注意:连接高低通止下台阶上台阶UOA2UOA162目前六十二页\总数七十一页\编于十点当uI>UA时：A1的输出端为高电平，A2的输出端为低电平，则二极管D1导通，D2截止，输出电压uO也是高电平。

特性曲线如右图所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB双限比较器工作原理低高止通63目前六十三页\总数七十一页\编于十点当UB<uI<UA时；A1、A2的输出端均为低电平，两个二极管均截止，输出电压uO为低电平。特性曲线如右图所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB双限比较器工作原理64目前六十四页\总数七十一页\编于十点双限比较器及其传输特性动画65目前六十五页\总数七十一页\编于十点由两个简单比较器组成的窗口比较器（a）电路图（b）传输特性注意:连接法66目前六十六页\总数七十一页\编于十点窗口比较器应用

——三极管

值分选电路用双电压比较器LM393设计一个β值分选电路，要求当被测三极管的β<150或β>250，LED不亮，表示不合格；当150<β<250，LED亮，表示合格。已知电源电压Vcc=12V，三极管集电极电阻R2=2K。uO0uIU2U1下门限上门限67目前六十七页\总数七十一页\编于十点1、根据题意要求，设计与计算Rb的阻值，调节W1使Rb回路总阻值等于设定值并连接好电路。2、根据Rb取值和被测晶体管

值范围计算出Uc的正常范围，按照Uc的变化范围在万用表帮助下调节W2、W3到设定的上限UREF1与下限电压UREF2。3、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断三极管是否处于放大状态，如不是