比较电路与整形电路

t
–Uo (sat)
电压传输特性
输入信号接在反相端 R1 ∞ – + + + + uo ui + UR R2 – – – 输入信号接在同相端 R1 ∞ – + + + + uo UR + ui R2 – – – ui >UR，uo=+ Uo (sat) ui <UR，uo= –Uo (sat)
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
3. 工作波形
uo
R2 Z UZ R1
U
uo1 t
T1 T T2
R2 o − UZ R1-U
1. 基本电压比较器 R1 ∞ – + + + ui + UR R2 – – 运放处于开环状态
∆ ∆ ∆ ∆
+Uo(sat) + uo – o –Uo(sat) 电压传输特性 UR ui
uo
当 u+>u– 时，uo= +Uo (sat) +U u+<u– 时，uo= –Uo (sat)
即 ui<UR 时，uo = +Uo (sat) +U ui >UR 时，uo = – Uo (sat) 可见， 发生跃变。 可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。 UR：参考电压（阈值电压或门限电压）翻转条件。 参考电压（阈值电压或门限电压）翻转条件。 阈值电压：输出跃变所对应的输入电压。 阈值电压：输出跃变所对应的输入电压。
比较电路与整形电路
17.3.3 电压比较器
功能： 功能： 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大 当两者幅度相等时输出电压产生跃变， 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。 平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来 大小和极性。 判断输入信号的 大小和极性。 用途： 用途： 数模转换、数字仪表、 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等 技术领域， 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。 运放工作在开环状态或引入正反馈。
∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
o
t1 t2
t
uo
+Uo(sat) o
t
t
–Uo(sat)
输出带限幅的电压比较器 R1 + ui + UR R2 – –
∞ u 'R o – ∆ ∆ ∆ ∆
+Uo(sat)o
u
+
+
DZ
+ uo –
UZ UR o –Uo(sat) –UZ
ui
ui<UR 时，uo' = +Uo (sat) +U ui >UR 时，uo' = – Uo (sat) 设稳压管的稳定电压为U 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 = –UZ
− UR
4. 周期与频率
T = T1+T2
− t RC
电容充放电过程， 电容充放电过程，uc的响应规律为
uc (t ) = uc (∞) + [uc (0+ ) − uc (∞)]e
在充电过程中
R2 uc (0+ ) = −UR = − UO R2 + RF uc (∞) = +UO R2 uc (t2 ) = UR = UO R2 + RF
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
RF
+ uo –
2. 工作原理 +U 当 uo = +Uo(sat)时，电容充 上升， 电， uc上升， R2 UR = UO(sat) R1 + R2 当uc= UR 时，uo 跳变成 –Uo(sat) 电容放电， 下降， 电容放电， uc下降， R2 UO(sat) − UR = − R2 + RF 当 uc= –UR 时，uo 跳变成 +Uo(sat) ，电容又重新充电。 电容又重新充电。
R1 + ui – R2
– + +
∞
+ uo –
+ ui –
R1 + R2 UR –
– + +
∞
RF RF （ 2） （ 1） 6V， 5V， 20kΩ 例：±Uo(sat) =±6V，UR = 5V，RF = 20kΩ， R2 =10kΩ，求上、下门限电压。 =10kΩ 求上、下门限电压。
解：对图（1） 对图（ 上门限电压 u′ = +
o +Uo(sat)
u
o –Uo(sat)
UR u i
电压传输特性
+Uo(sat) UR o –Uo(sat)
uo
ui
ui
输入信号接在反相端 R1 + ui + UR R2 – – – + +
∞
UR
输入信号接在同相端 –Uo(sat) R1 ∞ uo – + + +Uo(sat) + + uo UR + ui R2 – o – –
理想运放工作在非线性区的特点： 理想运放工作在非线性区的特点： ① 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或–Uo (sat) +U 当 u+> u－ 时， uo = +Uo (sat) u+< u－ 时， uo = – Uo (sat) 虚短” 不存在 “虚短”现象 仍存在“虚断” ② i += i － ≈ 0 仍存在“虚断”现象 uo 电压传输特性 +Uo(sat) u +– u – 饱和区 -Uo(sat)
结论： 结论： 1. 调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。 调节R 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 改变U 可以改变上、下门限电压， 电压∆ 电压∆U。 与过零比较器相比具有以下优点： 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。 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 回差提高了电路的抗干扰能力， 越大， 能力越强。 能力越强。 电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报 电压比较器在数据检测、自动控制、 警和波形发生等电路中得到广泛应用。 警和波形发生等电路中得到广泛应用。
波形发生器的作用： 波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、 三角波、锯齿波等）。 三角波、锯齿波等）。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。
17.4.1 矩形波发生器
C
充电
1. 电路结构 – + uc 由滞回比较器、 由滞回比较器、 ∞ UR + – + RC充放电电路组成， RC充放电电路组成， 充放电电路组成 – + 电容电压u 电容电压uc 即是比较器 R2 的输入电压， 的输入电压， R1 电阻R 两端的电压U 电阻R2两端的电压UR即是比较器 的参考电压。 的参考电压。 2. 工作原理 设电源接通时， +U 0。 设电源接通时， uo = +Uo(sat) ，uc(0) = 0。 uo 通过 RF 对电容C充电， uc 按指数规律增长。 对电容C充电， 按指数规律增长。
在放电过程中
R2 uc (0+ ) = UR = UO R2 + RF uc (∞) = −UO R2 uc (t3 ) = −UR = − UO R2 + RF
充放电时间常数相同：τ = RC 充放电时间常数相同：
2R2 矩形波的周期 T = T1 + T2 = 2RC ln 1 + RF 1 1 矩形波的频率 f = = T 2R2 2RC ln 1 + RF 矩形波常用于数字电路中作为信号源
17.4.3 三角波发生 器
1. 电路结构 R6 C – A+ + 1 R1
∞
R3 uo1 R4
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
R2
DZ
– + A2 + R5
∞
A2：反相积分电路 A1：滞回比较器 ∵ u– = 0 ， ∴ u+ = 0 时， A1状态改变
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
2. 工作原理 A1：滞回比较器 ∵ u- = 0 ，∴ u+ = 0 时， A1状态改变
– + + RF （1） ）
∞
+ uo –
+ ui –
R1 + R2 UR –
– + +
RF
∞
∆ ∆ ∆ ∆
6
（2） ）
∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
uo
uo ui
6
ui
0
-2
0
2
1.33
5.33
-6 图(1)的电压传输特性 (1)的电压传输特性
-6 图(2)的电压传输特性 (2)的电压传输特性
17.4 运放在波形产生方面的应用
10 × 6 = 2V 10 + 20 10 下门限电压 u′′ = × (− 6) = −2 V + 10 + 20
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
R1 + ui – R2
– + +
∞
+ uo –
+ ui –
R1 + R2 UR –
– + +
∞
RF RF （ 2） （ 1） 6V， 5V， 20kΩ 例：±Uo(sat) =±6V，UR = 5V，RF = 20kΩ， R2 =10kΩ，求上、下门限电压。 =10kΩ 求上、下门限电压。
wk.baidu.com
C R6 – ∞ R3 uo1 R4 + + A1 R1 DZ –∞ + A2 + R5 ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ + uo –
R2
R2 R1 uo1 + uo = 0 当 u+1 = R1 + R2 R1 + R2
R2 R2 uo1 = − (± U Z ) 即当 uo = − R1 R1
输出 uo1 改变(+UZ 跃变到–UZ 或 –UZ 跃变到 +UZ)， 改变(+ 跃变到– (+U 同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。 同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。
C
充电
RF
∞ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
– +
uc
UR + – –
R2
+
+
+ uo –
R1 C 放电 RF – +
uc
UR + – –
∞
R2
+
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
+
+ uo –
R1
3. 工作波形 + Uo(sat)
充电 UR 放电 t1 T1 T t2 T2 t3
uo uc
–Uo(sat)
单限电压比较器： 单限电压比较器： 单方向变化时， 只变化一次。 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。 R1 ∞ – ui + + + + uo ui + UR R2 – UR – – o t1 t2
∆ ∆ ∆ ∆
o +Uo(sat)
t
u
uo
UR u i +Uo (sat) o
o –Uo(sat)
电压传输特性
过零电压比较器 R1 + ui + UR R2 – – uo +Uo(sat)
o –Uo(sat)
ui
+ uo –
– + +
∞
t uo
+Uo(sat)
UR= 0 ui
电压传输特性
∆ ∆ ∆ ∆
t
-Uo(sat) 利用电压比较器 将正弦波变为方波
2. 滞回比较器 R1 ∞ ⊕ – + －+ + ui R2 – RF
u′ +
– + + RF
∞
∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
0
ui
0 u′′ +
t
uo
+Uo(sat) -Uo(sat)
0
t
电压传输特性
-Uo(sat)
uo
当参考电压U 当参考电压UR不等于零时 + ui –
R1 + R2 UR –
+Uo(sat)
– + +
RF
∞
电压传输特性 根据叠加原理，有 根据叠加原理， RF R2 uR = UR + (±UO(sat) ) R2 + RF R2 + RF
′ 传输特性不再对称于纵轴， 可见： ′ 可见： U+ ≠ U+′ 传输特性不再对称于纵轴，
改变参考电压U 可使传输特性沿横轴移动。 改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。
∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
0
ui
-Uo(sat)
2R2 ′ 定义： 定义：回差电压 ∆ U = u+ − u′′ = UO(sat) + R2 + RF
∆ ∆ ∆ ∆
－ +
uo –
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 门限电压受输 出电压的控制
u− = ui
当 uo = + Uo(sat)， 则
′ ′ U+ > U+′
上门限电压
当 uo = – Uo(sat)， 则 下门限电压
上门限电压 U'+ ： R1 ui 逐渐增加时的门限电压 + ui 下门限电压U" 下门限电压U"+： R2 – ui 逐渐减小时的门限电压 两次跳变之间具有迟 滞特性—滞回比较器 滞特性 滞回比较器 uo ui +Uo(sat)
解：对图（2） 对图（
20 10 u′+ = ×5 + × 6 = 5.33V 10 + 20 10 + 20 20 10 u′′ = ×5 + × (− 6) = 1.33V + 10 + 20 10 + 20
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
+ uo –
R1 + ui – R2