第7章 电压比较器

t
+(UZ+ UD)
t
-(UZ+ UD)
16
一.迟滞比较器(下行)
（反相迟滞比较器 ）
1.电路结构
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
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。
17
迟滞 比较器
2.阈值估算
临界跳变时：
ui
uR
R
－+ +
U U uR
根据叠加原理，有 ：
R1 R2 U uo ui u R R1 R2 R1 R2
当 u o负饱和时(uo U oM ) ：
R1 ui u o R2

( R1 R2 ) u R uT R2
当 u o正饱和时( uo U oM ) ：
5．电压比较器的分析方法
按理想情况分析
若U-＞U+ 若U-＜U+ 则UO=-UOM； 则UO=+UOM。
理想 情况
uo
+UOM
实际 情况
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
Ui=U--U+
发生跳变，必然发生在U-=U+ 的时刻。
虚断（运放输入端电流=0）
-UOM 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。 6
注意：此时不能用虚短！
注意：
uo +UOM 0 -UOM 称之为同相比较器
U+
+

+
U_
uo
uo +UOM
U+-U-
0 -UOM
U--U+
称之为反相比较器
7
一、非零电平比较器
若ui 从同相端输入 （同相电压比较器）
当ui > UR时 , uo = +Uom 当ui < UR时 , uo = -Uom
R1 ( R1 R2 ) uT 1 U oM uR R2 R2 R1 ( R1 R2 ) U oM uR R2 R2 24
uT 2
迟滞 比较器
3.电压传输特性 uR
R
ui
R1
－+ +
R2


uo
R1 ( R1 R2 ) uT U oM uR R2 R2
设初始值: uo U oM 门限为uT 1
这时, uo U oM U uT 2
uo
+UOM
传输特性
uT2 uT1
0
-UOM
ui
设ui ,当ui uT 2 uo 从 U oM U oM
19
迟滞 比较器
传输特性
当 uR 0时，传输特性即为如图曲线；
uo
+Uom
uT2
0
-Uom
uT1
R1 uT 1 U oM R1 R2 R1 uT 2 U oM R1 R2 ui
uT 2
R1 R2 U oM uR R1 R2 R1 R2 18
迟滞 比较器
3.电压传输特性
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

R1 R2 uT U oM uR R1 R2 R1 R2 uo
设初始值: uo U oM U uT 1
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
R1 R2

uo
iP i N 0
U U ui
根据叠加原理，有 ：
R1 R2 U uo u R uT R1 R2 R1 R2
当uo正饱和时(uo =UOM) ：
R1 R2 uT 1 U oM uR R1 R2 R1 R2
当uo负饱和时(uo =-UOM) ：
uI
正向门限电平
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：
UT+
负向门限电平 UT-
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
28
干扰太大，滞回 功能会失效
uI
UT+ 负向门限电平 UT正向门限电平
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！ 输入信号单方向变化时，只 与一个阈值电压比较 20
迟滞 比较器
想想:假设 例1:设输入为正弦波, 画出输出的波形。 开始时UO
ui
R
U+
R1
－+ +
R2

uo
uT1
ui
为 – UOM
?
t
uT2
uo
+Uom
4
4、电压比较器的性能指标
（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ຫໍສະໝຸດ Baidu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。 5
限幅器的主要技术指标是限幅门限值和限幅系数，结合 下图来说明。
术语
1.下限限幅门限值Vth2.上限限幅门限值Vth+ 3.下限限幅电压VL
5.限幅区;上、下限幅区
6.传输区 7.限幅系数KLI
uREF为参考电压，根据比 u 较器在临界状态条件可 求得电路的阈值电压。 u 图1：
R1 R2
REF
u
N
i
+
, uo R
u
P
uo
R1 R2 uN ui uREF uP 0 R1 R2 R1 R2
图1
当uREF 当uREF
R2 uT ui uREF R1 , 0，ui uT，uN 0时，uo U OH , 0，ui uT，uN 0时，uo UOL
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
29
注意：
为了正确画出电压传输特性， 必须求出以下三个要素：
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。
30
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”。
[例2] 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。
有正反馈, 双阈值
35
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。
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。
3
3．电压比较器的类型 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) 简单比较器
假设开 始时UO 为UOM uT1
uo
Uom
uT2
0
-Uom
ui
-Uom
t
21
迟滞 比较器
例2： 1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当 R 输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
ui
t
上下限：
R1 R2 uT 1 U oM UR R1 R2 R1 R2 uT 2 R1 R2 U oM UR R1 R2 R1 R2
v图2 o
+UoH
应用：电平显示器、逐次比较 A/D等。
0
-UoL
VT
11
vi
电压 比较器
二、零电平比较器 : 当UR =0时
uo
ui
+

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
+

+
uo +UOM
ui
uo
0
-UOM
ui
12
电压 比较器
例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。 ui
+
ui
t

+
uo
uo
+Uom
ui
R1
－+ +
R2

uo
uT 2
R1 U oM R2
uo
Uom
传输特性曲线
uT2
uT1
0
-Uom
ui
26
迟滞比较器两种电路结构和传输特性的比较:
uo
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
uT2 uT1
0
ui
uo
Uom
UR
R
ui
R1
－+ +
R2

uo 0
-Uom
uT2 uT1
ui
27
滞回比较器的主要优点
ui UR
+

+
uo
uo
+Uom
UR为参考电压 (阈值电压： P285定义)
0
-Uom
UR
ui
8
电压 比较器
若ui从反相端输入 （反相电压比较器）
UR ui
+

+
当ui < UR时 , uo = +Uom
uo 当u > U 时 , u = -U om i R o uo
+Uom
-Uom
0
UR
ui
9
电压 比较器
问题：若反相端不是接 地，而是接参考电压 VREF，输出波形会有什 -Uom 么样的变化？
t
13
电压 比较器
用稳压管稳定输出电压
uo
ui
+

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
ui
+

+
UZ
uo
uo
+UZ
0
-UZ
忽略了正 向压降UF
ui
14
※
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。
uo uZ uo uZ
10
电压 比较器
u
R1
REF
图2：
u R2 uT uP uREF R1 R2 u
N i
+
Ri
, uo R
uT
R2
u
P
uo
, 当ui uT 时，uo U OH , 当ui uT 时，uo U OL
uo uZ uo uZ
三要素法：
36
限幅电路
限幅电路概述及二极管钳位作用 1. 限幅电路概述 限幅电路又叫钳位电路，特点是当输入大到一定范围 后，输出不再随输入的增大而变化，而保持在某个固定值 上。这种特性不仅用于信号的处理和运算中，也广泛用于 过载保护中。限幅电路按是否带运放分为有源和无源两种。 由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，所以带运 放的有源限幅器可使信号源和负载之间有良好的隔离作用。 但是由于受运放频率相应的限制，接入运放后，电路的工 作频率变窄。 37
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
这时, uo U oM 门限为uT 2
uo
UoM
UT2 UT1
0
-UoM
ui
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
25
迟滞 比较器
上下门限电压
R1 uT 1 U oM R2
当 uR 0时，传输特性即为如图曲线； R
D
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 。
15
迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、 施密特触发器）
单限比较器的优缺点： uI
门限电平
单限比较器的优点是电路结 构简单，灵敏度高。但是，主要 0 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、uO 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 0 图如右所示：
第七章 信号的非线性处理
7.4.1 简单电压比较器 7.4.2 迟滞比较器 7.4.3 窗口比较器
1
第一节 简单电压比较器
电压比较器的主要作用是进行电平检测。
uI 参考电压 uR
0 uO
0
t
t
利用电压比较器进行电平检测波形示意图
2
1．电压比较器的功能 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。
31
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]
无正反馈, 单阈值
电压传输特性的趋势.UT 的具体值有待下面求得.
32
解： 令uN=uP=0，则求出阈值电压
所以画出输出波形如图所示：
33
1
34
=10V
=2V
22
迟滞 比较器
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
ui
10V
2V
t
uo
传输特性
uo
+UOM
+UOM
uT2 0 -UOM
2V
uT1
10V
t
ui
-UOM
23
迟滞 比较器
二.迟滞比较器(上行)（同相迟滞比较器） 2.阈值估算 1.电路结构 临界跳变时：
uR
R
ui
R1
－+ +
R2

uo
iP i N 0