第22讲 电压比较器

UTH 2 R3U R R2U oL R3U R R2U Z U R2 R3 R2 R3
UTH 2 UTH 1
反相滞回比较器传输特性
（3）滞回比较器应用
UTH 1 2V UTH 2 2V
滞回比较器能将连续变化的周期信号变换为矩形波。 常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及 越限报警等许多场合。
2. 同相滞回比较器
U TH 1 (1 R2 R )U R 2 U oL R3 R3
U TH 2
R2 R2 (1 )U R U oH R3 R3
R2 (U oH U oL ) R3
ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。
UTH
UR是固定电压，改变UR值能 改变阈值UTH1和UTH2，但并不 改变回差大小。
滞回比较器电路及其传输特性
为了加速输出状态的跃变，使运放经过线性区过渡 的时间缩短，输出端至同相输入端引入正反馈。
UO
O
UI
1、反相滞回比较器 滞回比较器有两个阈值UTH1和UTH2
（1）正向过程 当ui足够低时，uo为高电平， UOH=+UZ；当ui从足够低逐渐 上升到阈值UTH1时。uO由UOH
同相非过零比较器 阈值电压UTH U R
电压传输特性
u i U R , U o U oH u i U R , U o U oL u i U R , U o 跳变
(2) 电平检测比较器
反相求和电压比较器 电压传输特性 R1 R2 u uR Ui R1 R2 R1 R2 只要改变参考电压UR的大小和极 R1 阈值电压 UTH U R 性以及电阻R 和R 的阻值，就可 R2 1 2 以改变阈值电压的大小和极性 。
7.4 电压比较器
一、概述 1. 电压比较器的功能
对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平 或低电平电压。 通常由集成运放构成，运放处于开环或正反馈的状态。
只要在运放的两个输入端之间加一个很小的信号，运 放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用。在分 析比较器时，虚断仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临 界情况时才适用。
四、窗口电压比较器
简单比较器和滞回比较器当ui单方向变化(正向过程或 负向过程)时，uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电 平，这种比较器称为单限比较器。 窗口比较器是一种双限比较器。它的特点是输入信号ui 单方向变化可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图所示。
五、几种常用的电压比较器
（1）简单比较器：只有一个阈值电压UTH1。 （2）滞回比较器：具有滞回特性。 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入 电压单调变化使输出电压只跃变一次。
其传输特性如图所示。
uo/V
+6 0 -0.7
1
ui/V
ui/V 2 UTH=1V t uo/V +6 t
0
在输入波形图上作一条阈值 电压UTH=1V的基准线，得 如图所示输出波形。
0 -0.7
输入电压与输出电压对应波形
ห้องสมุดไป่ตู้
例题2：反相滞回比较器如图所示。电路的UR=0，UZ=6V, R1=10kΩ，R2=15kΩ，R3=30kΩ，R4=3kΩ。 （1）求比较器阈值UTH ；（2）画出电路传输特性曲线； （3）若电路输入电压的波形如下图所示。对应输入信号ui， 画出电路输出电压uo波形。
解：(1)反相滞回比较器 当ui足够低时，uo为高电平，UoH=+UZ输出电压发生 跳变的临界条件是U–=U+, U–=ui，其中U–=U+时对应的ui值 就是阈值，正向过程的阈值为
U TH 1 R3U R R2U oH R3U R R2U Z R2 R3 R2 R3
当ui足够高时，uo为低电平UoL=–UZ 反向过程的阈值UTH2为
ui/V
2
0 t
解: (1)由题意要求阈值电压为UTH=1V R1 根据公式 U TH ui U REF R2 解得基准电压UREF=-R2/R1×UTH=-2V
uo U D 0.7V 当ui UTH 1V 时，
uo U Z 6V 当ui UTH 1V 时，
一、过零比较器
按输入方式的 不同可分为反 相输入和同相 输入两种零电 位比较器。
1、同相输入过零比较器
U U , Uo UoH U U , Uo UoL U U , Uo 跳变临界条件
u i 0, U o U oH u i 0, U o U oL u i 0, U o 跳变
（3）窗口比较器
三种比较器的传输特性曲线
作业7-34-36、7-38 如图所示电路，A均为理想运放，电容器上初始值为零。 设Ul=－1V，U2= l V，求t为多少秒时Uo产生跳变?
解：
1 1 U o1 U1t U 2t U C ( 0 ) R1C R2C
R1C 1,R2C 2 1 U o1 ( 1 )t t 0 0.5t 2
UTH 2 R3U R R2U oL R3U R R2U Z R2 R3 R2 R3
计算得 UTH1=2V,UTH2=–2V
（2）传输特性曲线
UTH 1 2V ,UTH 2 2V
（3）对应输入电压Ui，画输出电压Uo波形。
滞回比较器的传输特性和输入电压波形如图所示。根据 传输特性和两个阈值(UTH1＝2V, UTH2=–2V)可画出输出电压uo 的波形。ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。 滞回比较器由于有回差电压存在，大大提高了电路的 抗干扰能力，回差ΔUTH越大，抗干扰能力越强。当输入信 号因干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过回差 ΔUTH，比较器的输出电压就不会来回变化。
2、反相输入过零比较器
u i 0, U o U oL u i 0, U o U oH u i 0, U o 跳变
3、限幅输出比较器
输出端加双向稳压管 反馈回路接双向稳压管
电压传输特性
UOH U Z
U OL U Z
二、任意电平比较器（非过零比较器） (1) 简单任意电平比较器
求出电压比较器的阈值UTH
U U ,U 3V ,U Uo1 0.5t
UTH 3V 当 U o1 3V 时电路发生跳变，
解上式中方程，当0.5t 3,t 6S 时，电平跳变。
例题1：下图所示的电平检测比较器中，已知 R1=10KΩ， R2=20KΩ, UZ=6V 检测输入信号ui是否超出1V，试确定其基准电压UREF， 并根据如图所示输入信号ui波形画出输出信号uo波形；
（2）传输特性曲线
比较器的输出电压Uo与输入电压UI在平面直角坐标系 中的关系。
传输特性曲线的三个要素: （1）阈值电压UTH （2）输出高电平UOH和输出低电平UOL （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向。 画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器 具体电路，分析在输入电压由足够低变到足够高(正向过程) 和输入电压由足够高到足够低(负向过程)两种情况下，输 出电压的变化规律，画出传输特性。
跳变到低电平UOL=–UZ。
正向过程的阈值UTH1为
R3U R R2U oH R3U R R2U Z UTH 1 U R2 R3 R2 R3
（2）负向过程 当ui足够高时，uo为低电平，
UOL=–UZ。 ui从足够高逐渐下降使uo由 UOL跳变为UOH的阈值为UTH2。 负向过程的阈值UTH2为
简单比较器结构简单，灵敏 度高，但抗干扰能力差。 也就是说，如果输入信号因 干扰在阈值附近变化时，输 出电压将在高、低两个电平 之间反复地跳变，可能使输 出状态产生误动作。
三、滞回比较器
滞回比较器又称施密特触发器，这种比较器的特点是当 输入信号UI逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值UTH1和 UTH2，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。
二、分类
1、简单比较器 2、滞回比较器
过零比较器 (零电平比较器)
非过零比较器
3、窗口比较器
三、比较器的工作特性
（1）阈值电压UTH
使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，即 U+=U-时的UI值。 阈值是输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。 此时集成运放两个输入端电位相等，U+=U-所对应的UI值。
电压比较器传输特性的分析方法 ①写出u-、u+的表达式，令u-＝u+，求解出的uI即为UTH ；
②根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；
③根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端分析正向
过程和反向过程输出电压的跳变方向。
简单比较器
简单比较器只有一个阈值UTH
电压比较器将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR 进行比较。参考电压为零的比较器称为零电平比较器。