电压比较器

D1、D2均截止，故 uo 0
19
结论：
（1）在电压比较器中，集成运放一般是工作在非 线性区，输出电压一般为正、负最大值。 （2）一般用电压传输特性来描述电压比较器中的 输出、输入电压间的函数关系。 （3）电压传输特性的决定因素为输出电压的高低 电平、阈值电压及其跳变方向。
自学“集成电压比较器”
于 a、b、c 三点时的 uo - uc 相对应的波形图。
设Rwa> Rwc
uc
D1 D2
a RW c b
-+
C
－
+
+
R1
R2
uo UOM
t 0
uo - UOM
此即为占空比可调的方波发 生电路或称矩形波发生电路
31
二、三角波发生器
三角波发生器电路1:
方波发生器
uc
R1
C1
－
+
+
R3
R4
反向积分器
反相输入的 迟滞比较器
反相积分器
R01
uo1
－ +
+ A1
R
C
－
+
+ A2
R02
uo
R2 R1
特点:由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成, 迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入,反相积 分器的输出又作为迟滞比较器的输入.
34
回顾:
反相输入的迟滞比较器
uo
ui
R
－
+
+
uo 上下门限电压
UH
R1 R2
为解决这一问题，可将比较器设置两个阈值，只
要干扰信号不超过这两个阈值比较器就不会跳变，从 而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来 的电压比较器称为滞回比较器。或称施密特触发器。
1、电路构成
R1
ui
如图所示，电路是在 单门限比较器基础上增加 uREF R2
uN uP +
uo, R4 R3
uo
uZ
U om
Uom
U+L 0
R1
R2
UL
R1 R2
U om
-Uom
U+H ui
反相积分器
C
ui
R
- +
+
R
uo
uo
1
+Uom
uo RC uidt
0 -Uom
ui=-U
t
ui=+U
35
三角波发生器电路2 (续)
R01
uo1
－
+
R
u1+ + A1
C
－
+
+ A2
R02
:
uo
uo1
UOM
0
t
R2
R1
- UOM
8
例题：利用电压比
ui
较器将正弦波变为 方波。
t
ui
+
+ uo
uo
+Uom
问题：若反相端不是接
t
地，而是接参考电压
VREF，输出波形会有什 -Uom 么样的变化？
9
三、滞回比较器（施密特触发器）
单门限电压比较器结构简单，灵敏度高。但抗 干扰能力差，如输入电压在uT附近时会造成uo反复 跳动，造成比较器工作不稳定。
电压比较器
运放有两个工作区：线性工作区和非线性工作区。 运算电路使用的是运放的线性区 电压比较器使用的是运放的非线性区
注意：在运算电路中所使用的“虚地”概念在非 线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用。
1
一、概述
1、概念及构成
通过对两输入电压的相对比较，在输出端
得到高电平或低电平结果的电路器件。
uREF为参考电压，根据比 较器在临界状态条件可
uREF
求得电路的阈值电压。 ui
R1 R2
uN -
uo, R
图1：
uP +
uo
uN
R1 R1 R2
ui
R2 R1 R2
uREF
uP
0
图1
uT
ui
R2 R1
uREF
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOH
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOL
了正反馈电路实现的。
10
2、估算阈值
按临界条件下的比较器状态来计算。
1）反相端输入 在临界跳变时
ui
R1
uN -
uo, R4
uP uN iP iN 0
R2
uP + R3
uo
uN ui
uREF
uZ
根据叠加原理，有
uP
R2 R2 R3
uo
R3 R2 R3
uREF
R3uREF R2uo R2 R3
T
T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样T1 = T2。 T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:
uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e
t
,=RC
28
周期与频率的计算：
uc +UOM
U+H
T2
RC ln(1 2 R1 ) R2
0
t
U+L
T 2RC ln(1 2R1 ) -UOM R2
R1
uREF
uP uN iP iN 0
uN uREF
ui
R2
根据叠加原理，有
uN uP +
uo, R4 R3
uo
uZ
uP
R2 R2 R3
uo
R3 R2 R3
ui
uREF
uT 1
(
R2
R3
)uREF R3
R2 uZ
uT 2
(
R2
R3
)uREF R3
R2 uZ
uo
UZ
0 UT2 UT1ui
UuOMc
U+H
C
－ +
+
uo
uo0
t
R1
UOM
t
R2
2.工作原理：
0
-UOM
(1) 设 uo = + UOM , 则：u+=U+H
此时，输出给C 充电, uc , 设uC初始值uC(0+)= 0
在 uc < U+H 时，u- < u+ ,
uo保持+UOM不变
一旦 uc > U+H , 就有 u- > u+ ,
-UZ
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四、窗口比较器
单门限比较器和滞回比较器有一个共同特点就是当 ui单方向变化时，uo只会有一次跳变。如果希望检测ui 是否在两给定电压之间时就可以采用窗口比较器。
1、电路构成
uO UOH
u u 2R
RH
1N -
uO1
u1P + C1
uR i
D1
R1
uO
URL
URH
uuI RL
2R
u2N u2P
0
VT vi
1、过零比较器
-UoL
过零比较器用途非常广泛，在交流调压、电气
控制系统中经常使用。根据所接输入端得不同可以 有同相过零比较器和反相过零比较器。
5
同相、反相过零比较器:
uo
ui
＋
－
uT=0
ui
－
＋
uT=0
uo
+UOM
0
ui
-UOM
uo
uo
+UOM
0 -UOM
ui
6
2、一般门限比较器
当uT≠0条件下构成的比较器，有两种电路形式。
uo uZ uo uZ
7
uREF
图2：
R1
uT
uP
R2 R1 R2
uREF
ui
Ri
uT
uN uP +
uo, R
uo
R2
当ui uT 时，uo, UOH uo uZ
v图o 2
+UoH
当ui uT 时，uo, UOL uo uZ
应用：电平显示器、逐次比较
0
VT vi
A/D等。
-UoL
(1)设t=0时, uo1=+UOM , uc (0) =0 , uo=0
u1+ =
R1 R1 R2
u o1
+
R2 R1 R2
uo
=
R1 R1 R2
UOM
>u1-=0,
uo1保持+ UOM
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三角波发生器电路2 (续)
R01
uo1
－
+
R
u1+ + A1
C
－
+
+ A2
R02
R2
R1
:
uo1 uo
UOM U+H
uo 0
U+L
t1
- UOM
t
(2)t=0 ~ t1: uo1 (0) =+UOM , uo(0) =0
uo
1 RC
uo1dt
=-
UOM RC t (a)
t=t1:
uo (t=t1) =U L
R1 R2
U OM
(b)
uo1从+UOM -UOM
将(b)式代 入(a)式, 可解出:
t1=
坏运放，电阻、稳压管为限流和电平匹配设置。
2、工作原理及阈值特性
当ui uRL时 ,则uo1 U OL , uo2 U OH ,
D1截止，D2导通，故uo uZ
当ui uRH 时 ,则uo1 U OH , uo 2 U OL ,
D1导通，D2截止，故uo uZ
当uRL ui uRH 时 , uo1 uo 2 U OL ,
C2
+
uO2 D2
R2
uZ
窗口比较器的特点是ui单方向变化时可以使uo
产生两次跳变。其电压传输特性如图。
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该电路由 uRH 2R u1N -
两个单门限比
u1P + C1
较器接成同相 ui R
、反相输入形 式构成的。
uRL
2R
u2N u2P
C2
+
uO1 D1
uO2 D2
R1 R2
uO uZ
图中使uRH>uRL，D1、D2作用是防止电流回流损
uo 立即由＋UOM 变成－UOM
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(2) 当uo = -UOM 时， u+=U+L
uc + R
C
－ +
+
R1
此时，C 经输出端放电,再反向充电
uc U+H
uo
t
R2
U+L -UOM
uc达到U+L时，uo上翻
当uo 重新回到＋UOM 以后，电路又进入另一个
周期性的变化。
26
周期与频率的计算： uc
R1 R2
RC
37
三角波发生器电路2 (续) :
R01
uo1
－
+
R
u1+ + A1
C
－
+
+ A2
R02
R2
R1
uo1 uo
UOM U+H
uo 0 t1
t2
U+L
- UOM
t
(3)t= t1~ t2: uo1 (t1) =-UOM , uo (t1) = U+L
尖顶波: 梯形波:
特点: 时间的函数; 幅值变化有突变点。无法用初 等函数进行描述。
23
一、方波发生器
uc R
C
－ +
+
uo
R1
1.电路结构
反相输入的迟滞比较器，输出 经积分电路再输入到此比较器 的输入端。
R2 上下限:
UH
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R1
R1 R2
U
om
UL
R1 R1 R2
U om
24
方波发生器 uc + R
由于uP=uN，故此时uP对应的ui即为uT，而uT又与uo
的初始状态有关，uo=±uz，故
uT 1
R3uREF R2uZ R2 R3
uT 2
R3uREF R2uZ R2 R3
11
电压传输特性如图所示。
当uR=0时，传输特性即为如 图曲线； 当uR≠0时，传输特性曲线将 水平移动； 当uZ改变时，传输特性曲线 垂直移动。
ui -
+Uom vo
uo
uR +
0
-Uom
VREF vi
uo与ui的函数关系uo=f(ui)称为电压传输特性。
引起uo发生跳变得参考电压称为阈值电压（或
门槛电压），记为uT。
2
2. 基本工作原理及分析方法 vo
运放在理想情况下：
+Uom
Aod＝∞，Iid＝0，UiP=UiN
在开环状态下：
0
VREF vi
uo
+Uz
UT2 0
-Uz
UT1 ui
特点：输出端从高电平跳变到低电平对应的阈值电 压与从低电平跳变到高电平对应的阈值电压不同！
12
例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。
ui
ui
R
－
+
uo
U+H
t
+
U+
U+L
R1
R2
uo
Uom
t
-Uom
13
14
15
16
2）滞回比较器(同相端输入)
在临界跳变时
路满足uiP=uiN，iP=iN=0，ui=uT。
一般电压比较器按uT的不同和连接方式的不同可 以有：
单门限比较器 滞回比较器 窗口比较器
4
二、单门限比较器
若只有Ui一> U个T阈时值，电V压O =uVT的OH比较器，传输曲线vo如图。
若 Ui < UT 时，VO = VOL
+UoH
根据uT的取值不同可分为过零 比较器和一般门限比较器。
T1
T2
T
uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e
t
,=RC
UC (0+)= UL
R1 R1 R2
U om
UC ()=+UOM
t=T2时,
uc(t =T2)= UH
R1 R1 R2
U om
29
方波（非正弦波）发生器原理
1、电路中必须有开关特性的器件。可以是电 压比较器、集成模拟开关、TTL与非门等。
若 UiP > UiN ，则VO = VOH 若 UiP < UiN ，则VO = VOL
-Uom
阈值电压
如果电路接成正反馈形式也可得到同样效果。
完整的电压比较器电路：
vI
R1
-
R vO
VREF
R2
+
DDZZ21
V Z
3
对比较器电路的分析不能像对放大电路和运算电 路的方法。一般的分析方法是集中在输出跳变得瞬间 所对应的ui来分析uo与ui的对应关系。这时可认为电
20
作业：P465 15、16
21
8-3 非正弦波发生电路
主要学习： 1、了解常见非正弦波形 2、方波发生电路的结构及频率的计算 3、三角波及锯齿波发生电路的结构及频率的计算 4、进一步理解电压比较器及其应用
22
几种常见的非正弦波
方波: 锯齿波: 阶梯波:
矩形波: 三角波: 钟形波:
2、反馈网络。它的作用是通过输出信号的反 馈，改变开关器件的状态。
3、延迟环节。用RC电路的充放电来实现。 4、其他辅助部分如积分电路等。
在《数字电子技术基础》中也有利用这些原理实现方波发生器
30
思考题：点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点 c 是 b 的上
方和下方的某点 。试定性画出点电位器可动端分别处
uc +
R
U+H
C
－
+
+
0
uo U+L
t
R1
uo
R2
UOM
T 2RC ln(1 2R1 )
0
t
R2 - UOM
T
f = 1/T
此期间是分析问题时的假设,实际上用 示波器观察波形时看不到这段波形. 27
周期与频率的计算：
uc +UOM
uc +
R
U+H
C
－ +
+
uo
0
t
R1
U+L
R2
-UOM
T1
T2
C2
R2
-
+ +
+ uo
R5
_
矩形波经积分电路便可产生三角波，但是
此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能
让积分器饱和。
32
三角波发生器(续)
uc
R1
C1
－
+
+
R3
R4
uo1 UOM
uo1 R2
R5
C2 -
+ +
1 uo RC uidt
+ uo _
0 - UOM
t
33
三角波发生器电路2: