模电第三章 电压比较器弛张振荡器及模拟开关

电路工作原理：
形成线性度很好的三角波，三角波又去控制迟滞比较器的状
A1 输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，
态转换，周而复始形成振荡。
u o1 T1 0 UoL
UoH T2 t
u o2 0
Uo2m
t
U’o2m
双运放方波–三角波振荡器的输出波形
1）uo1 和 uo2 的幅度计算 a) uo1的幅度
uidmin
U EE Aud
uid (uidmin , uidmax )
uo (U oL , U oH ) （不灵敏区）
3.转换速度：比较器的输出状态产生转换所需的时间
一般要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。转
换速度与器件压摆率SR有关， SR越大，输出状态转换所 需的时间就越短，比较器的转换速度越高。
uo1的高电平U OH U CC，低电平U OL U EE U o1PP 2U CC
uo2为三角波，当uo1为高电平时，C充电电流为ic=αUoH/R，
uo2随时间线性下降。A1反相端接地，当U+过零时，A1输出状态
发生变化，
R1 R2 U U oH U o2 U 0 R1 R2 R1 R2
结论：通过改变分压比可以改变恒流充放电电流，从而可
以微调振荡频率。
3.3 单片集成专用电压比较器
运放作为电压比较器存在问题：响应速度慢，转换时间和 延迟时间太长。
专用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。 专用单片集成电压比较器可以作为模拟电路和数字电路的 接口电路，输出电平与TTL、CMOS或ECL兼容，
单运放弛张振荡器及其波形
单运放弛张振荡器特性分析
假定输出为高电平，且电容出示电压为 uc(0)=0，则电容按 指数规律充电，并趋向UoH，此时U+为：
U F正U oH R2 R2 U oH U CC R1 R2 R1 R2
比较器参考 电压
当uC上升到该电平值时，即U-=U+，则输出状态要发生翻转，
此后 ui 继续增大， uo 一直维持在低电平。此时参考电压为： R1 R1 U r2 U f 1 U oL U EE R1 R2 R1 R2 由于参考电位的变化，若输入一直为正，则输出不再发
生变化，只有当输入比参考电位更负，输出才发生跳变，由 低电平变为高电平。此时对应的参考电位为下门限电平UTL。 R1 U TL U r2 U EE R1 R2 综上所述，迟滞比较器的传输特性如图 U oH u o uo uo U ui ui ui U rL 0 + U U rH U rH 0 0 rL
电阻大的特点，因而应用广泛。
模拟开关可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，是一 种模拟器件。
一、常用的模拟开关 1、CC4066模拟开关：4个独立的CMOS双向模拟开关。 2、CD4051模拟开关：单刀多掷的模拟开关。
ui R
+
A
uo
R1 R1 U r1 U f 1 U oH U CC R1 R2 R1 R2
uf
R1
R2
当ui 由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1 时，输出由高电平转换 为低电平。称uo 从高到低所对应的 ui 转换电平为上门限电平UTH
U TH R1 R1 U r1 U oH U CC R1 R2 R1 R2
从而
R2 U oH R1 R2
U oH UTL T2 ln U oH UTH 1 振荡频率为： f 1 1 0 T 2T2 2 R2 2 RC ln 1 R1
例3.2.1 电路如图，设C=0.1μF，
R
UCC
R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,
U opp U oH U oL 2U CC
由于RC不是理想的积分器，因此电容电压uC 上近似为
三角波，其峰峰值为：
U Cpp U TH U TL 2 R2 U CC R1 R2
由于电容充放电时间常数都为T=RC，因此T1=T2，占空比为 D=T2/T1=50%。 分析计算振荡频率 f 0
定时单元
弛张振荡器框图
一、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，如图所示
RHale Waihona Puke UCC+uo(t) UoH
uc(t)
A1
-UEE
uo
R1 R2
R2 U R1+R2 oH
0
uc(t) t 2 T/2 t1 T T2 T1
t
uC = C
R2 U R1+R2 oH
R2 U R1+R2 oL UoL
迟滞比较器的特点： 1、具有很强的抗干扰能力 2、正反馈加速了状态转换，改善了输出波形的边缘 3、具有两个状态，且具有记忆功能 迟滞比较器又称为施密特触发器或者双稳态电路。 例3.1.2 电路如图(a)，输入波形如图(b)，试画出uo1和uo2 的波形。
R2 ui R1
1k 5 k 12V + 12V 3k + 0
试求uo(t)和uc(t)的波形幅度和频率。
uC = C
+
A1
-UEE
uo
R1
R2
解： 1） uo(t)为方波，其幅值为：
U om U oH | U oL | U CC 12V
R2 U R1+R2 oH
2） uc(t)近似为三角波，其幅值为：
U CH R2 10k | U CL | U oH 12V 6V R1 R2 10k 10k
ui
1.6V
t A2
-12V
A1
-12V
uo1
uo2
-1.6V
10 k
10 k
解： 1、电路组态分析 A1组成反相比例放大器 A2组成反相输入迟滞比较器 UTH=6V
0
ui
1.6V
t
-1.6V
uo1
8V
t
uo1 5 ui 8 sin t
U TH 10k U CC 6V 10k 10k 10k U EE 6V 10k 10k
二、电压比较器的开环应用––简单比较器
1. 过零比较器
2. 脉宽调制器
这种电路可做为零电平检 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。
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，从而实现 脉宽调制。
'
故 因此
U U
' o2
'
o2m
R1 R1 U oL U EE R2 R2
R1 U o2pp 2 U CC R2
当R1 > R2时，三角波的幅度将超过方波的幅度。
2）频率 fo 的计算 在T1时间间隔内，电容C的电压增量为：
R1 U C 2 U CC R2 R1 ΔQ 1 1 U CC U C 2 U CC iC dt T1 R2 C C C R 2 RCR1 T1 R2 1 1 R2 f0 T 2T1 4 RCR1
根据三要素法，电容电压为：
uc (t ) U C () U C () U C (0) e

t

其中：
U C () U oH U CC R2 U C (0) U TL U oL R1 R2
RC
当 t=T1 时，发生转换：
uc (T1 ) U TH
即由高电平跳变到低电平UoL。此时的U+记为高门限电压UTH：
R2 U TH F正U oH U oH R1 R2 由高电平跳变到低电平UoL时，电容开始放电，并反向充电，
并趋向UOL，此时参考电压为：
' U F正U oL
R2 U EE R1 R2
定义
U TL
当电容电压 uc(t)下降到UTL时，输出从低电平跳变为高电 平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为：
干扰 t
错误跳变 t
存在问题： 一是压摆率的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭 二是抗干扰能力差
2、迟滞比较器电路及传输特性 在简单比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。 1) 反相输入的迟滞比较器 电源供电电压UCC 和 -UEE
ui 0
uo U oH U CC uo 0
uoL uo uoH ui u r ui u r
电压比较器的输出要么为 高电平“1”，要么为低 电平“0”，因此电压比 较器可作为模/数转换器。
电压比较器的性能指标 1、 高电平(UoH)和低电平(UoL)
uoH U CC
uoL U EE
专用比较器的输出电平： uoL 0.4 V uoH 3.4 V 2、 鉴别灵敏度 U CC uidmax Aud
故
R1 R1 U o2 U o2m U oH U CC R2 R2
b）uo2 的幅度 当uo1为低电平时，C反充电，充电电流为ic=αUoH/R， uo2随时
间线性上升。当U+再次过零时，有：
R1 R2 U U oL U o2 U 0 R1 R2 R1 R2
0
UTL=-6V
-8V
uo2 t
0
U TL
3.2 弛 张 振 荡 器
弛张振荡器是方波-三角波产生器，对于方波信号，其状
态有时维持不变，有时发生突跳。为区别正弦振荡器而称之为
弛张振荡器。 电路特点：正反馈电路，由两部分组成：一部分为状态记 忆电路，一部分为定时电路，用来控制状态转换的时间。