过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器
8波形的产生和转换电路
振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件
AF 1
AF 1
AF = A+ F= 2n
(5-4)
起振条件和稳幅原理
振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一 些，即要求:
| A F |1
这称为起振条件。
. . 既然 | A F | 1 ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三
一、 LC并联谐振回路选频特性 1. 等效阻抗 一般有 R L 则
1 ( R jL) jC Z 1 R jL jC 1 当 0 LC
Z L C 1 ) C
等效损耗电阻
R j(L
时， 电路谐振。 0
1 LC
为谐振频率
L Q 谐振时 阻抗最大，且为纯阻性 Z 0 Q 0 L RC 0C 其中 Q 0 L 1 1 L 为品质因数 R 0 RC R C 同时有 I I Q I 即 I I I
(5-2)
8.1.1 概述
一、 产生正弦波的条件 传递函数
AVF sCR A( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR )2
令
AVF A0 3 - AVF 1 0 RC
Q 1 3 AVF
图7.4.18二阶压控型BPF
得
A0 A( s ) 1 s
s Q 0 ( s )2
(5-28)
电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设 某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反 馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所 以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的 相位条件。
图a 共基
图b 共射
电压比较器实验报告
`实验报告课程名称：电路与电子技术实验指导老师：成绩：实验名称：电压比较器及其应用实验类型：电子电路实验同组学生姓名：一、实验目的二、实验内容三、主要仪器设备四、实验数据记录、处理与分析五、思考题及实验心得一、实验目的1．了解电压比较器与运算放大器的性能区别；2．掌握电压比较器的结构及特点；3．掌握电压比较器电压传输特性的测试方法；4．学习比较器在电路设计中的应用。
二、实验内容及原理实验内容1．设计过零电压比较器电路，反相输入端接地，同相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
2．设计单门限电压比较器电路，同相输入端接1V直流电压，反相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量3．并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
4．设计反相输入（下行）滞回电压比较器，反相输入端接1kHz、1V正弦波信号，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
5．设计窗口电压比较器电路，输入为1kHz、5V三角波信号，设置参考电压Vref1为1V直流电压，参考电压Vref2为4V直流电压，测量并绘制输出波形和电压传输特性曲线。
6．设计三态电压比较器电路，输入电压信号Vin为1kHz、5V三角波信号，当输入Vin<Vref2时，输出Vout=VOL；Vin<Vref1时，输出Vout=VOH。
实验原理电压比较器（简称为比较器）是对输入信号进行鉴幅和比较的集成器件，它可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。
可用作模拟电路和数字电路的接口，也可用作波形产生和变换电路等。
比较器看起来像是开路结构中的运算放大器，但比较器和运算放大器在电气性能参数方面有许多不同之处。
运算放大器在不加负反馈时，从原理上讲可以用作比较器，但比较器的响应速度比运算放大器快，传输延迟时间比运算放大器小，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS等数字集成电路。
但在要求不高情况下也可以考虑将某些运算放大器（例如：LM324、LM358、μA741、TL081、OP07、OP27等）当作比较器使用。
放大电路中的反馈
1
• 在电子电路中，常常需要各种波形的信号，如正 弦波、矩形波、三角波和锯齿波等，作为测试信号 或控制信号。同时也为将所采集的信号能够用于测 量、控制、驱动负载或送入计算机等，常会需要将 信号进行转换，如：将电压转换成电流，将电流转 换成电压，将电压转换成频率与之成正比的脉冲 等……
(UR
=
0
时)
uo
ui
+
+ uo
+UOM
0 -UOM
ui
跳变一次
+
+ uo ui
uo
+UOM
0 -UOM
ui
24
例：利用电压比较器将正
ui
弦波变为方波。
ui
+
+ uo
uo
+Uom -Uom
t t
25
电路改进：用稳压管稳定输出电压。
uo
ui
+ +
uo
+UZ
UZ
0
ui
-UZ
电压比较器的另一种形式 ——将双向稳压管接
2
第一节 正弦波振荡电路
在各种波形的信号中，正弦波应用最广泛，而且它也是低 频电子电路的测试信号，所以我们首先以正弦波产生电路为 例来了解波形（信号）产生电路的组成原则，工作原理等。 1、正弦波振荡电路：在没有外加输入信号的情况下，依靠 电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。广泛用于测量、 遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等设备中。 2、正弦波振荡电路的种类：（用选频网络命名） ① RC正弦波振荡电路；② LC正弦波振荡电路；③ 石英晶 体正弦波振荡电路。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
图9-19(a)所示为过零比较器符号。 由于集成运放处于开环状态，uo与ui不再保持线性关系，而是将同相端电压 和反相端电压进行比较。 当u+>u-，即ui<0时，uo=+Uo(sat)。 当u+<u-，即ui>0时，uo=-Uo(sat)。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
一、过零比较器
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
图9-21所示为滞回比较器的电路图和波形图。由于电路工作于正反馈状态， 所以电路的输出电压将为负饱和值或正饱和值，uo与ui不再保持线性关系。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
输入电压ui经电阻R1加在集成运放的反相输入端，参考电压UR经电阻R2接在 同相输入端，此外，从输出端通过电阻Rf引回反馈，引入的反馈类型为电压串联 正反馈。因此，同相输入端的电压uP是由参考电压UR和输出电压Uo共同决定的， Uo有-Uo(sat)和+Uo(sat)两个状态。在输出电压发生翻转的瞬间，运放的两个输入 端的电压非常接近，即uN=uP。因此可用叠加原理来分析它的两个输入触发电平。
把两个门限电平的差值称为回差电压ΔUTH，即
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
回差电压的存在，可大大提高电路 的抗干扰能力，避免了干扰和噪声信号 对电路的影响。消除干扰的原理如图922所示。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
四、窗口比较器
图9-23所示为窗口比较器，即电压比较器的基本输入信号。窗口比较器信号之间的关系见表9-1。
集成运算放大器 的非线性应用—
模拟电子线路模电 电压比较器
VIH
0
t
此时C经R放电 vC按指数规律
VIL
当vC VIL时 vO又上跳到VOH
VOH vO
可证振荡周期：T2RCln1(2R2)
0 VOL
t
R1
讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性
1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？
2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？
3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的
-7V
(2) 回差电压宽度为14V。 2．迟滞比较器存在两个门限电平是为了提高电路的抗干扰 能力。（ ）
3. 请说明集成运放在信号运算电路和电压比较器中使用时， 分别工作在什么状态？
四、窗口比较器
UOM
uI URH uI URL
U OM U OM UOM
当uI>URH时，uO1= － uO2= UOM，D1导通， D2截止； uO= UZ。
集成运放的净输入 电压最大值为±UD
集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运 放的输入端，需加输入端限幅电路。
输出限幅电路
为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。
不可缺少！
UOH＝ － UOL＝ UZ
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ UZ UOL＝－ UD
3. 几种常用的电压比较器
（1）单限比较器：只有一个阈值电压 （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。回差电压 UUT1UT2
（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。
4、集成运放的非线性工作区
比较器
模拟比较器:将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准(代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通.这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器..有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰.数字比较器:用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出(或低)高电平,反之,则输出相反的电平.最简单的数字比较器是一位二进制数比较器,是一个异或门(或同或门).电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器.1.模拟比较器将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准(代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通.这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器..有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰.2.数字比较器用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出(或低)高电平,反之,则输出相反的电平.最简单的数字比较器是一位二进制数比较器,是一个异或门(或同或门).电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
单限比较器、迟滞比较器、双限比较器(窗口比较器)_图文(精)
lm339应用电路图集lm339应用电路图:LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是: 失调电压小,典型值为 2mV;电源电压范围宽,单电源为 2-36V,双电源电压为±1V-±18V;对比较信号源的内阻限制较宽;共模范围很大,为 0~(Ucc-1.5VVo;差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用 C-14型封装,图 1为外型及管脚排列图。
由于 LM339使用灵活,应用广泛,所以世界上各大 IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器,如IR2339、ANI339、SF339等,它们的参数基本一致,可互换使用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端, 用“+”表示, 另一个称为反相输入端, 用“-”表示。
用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择 LM339输入共模范围的任何一点,另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时, 输出管截止, 相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把 LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管, 在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选 3-15K。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时, 它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。
单限比较器电路图 3为某仪器中过热检测保护电路。
它用单电源供电,1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压,它的值取决于 R1于 R2。
UR=R2/(R1+R2*UCC。
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器过零比较器，单限比较器，滞回比较器，窗口比较器。
比较器是一种电子元件，用于比较两个电压的大小，并根据比较结果输出相应的信号。
在电子电路中，比较器被广泛应用于信号处理、控制系统和测量仪器等领域。
根据不同的比较功能和输出特性，比较器可以分为过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。
过零比较器是一种常见的比较器，它的主要作用是检测输入信号是否穿过零点。
过零比较器通常用于交流信号的检测和处理，它可以将输入信号与零点进行比较，并输出相应的高低电平信号。
过零比较器的输出信号与输入信号的相位关系密切相关，可以用于判断输入信号的频率和相位信息。
单限比较器是一种简单的比较器，它只有一个比较阈值，当输入信号超过或低于这个阈值时，比较器将输出相应的高低电平信号。
单限比较器通常用于电压检测、开关控制和逻辑电路等应用中，它可以实现对输入信号的简单比较和判断，具有结构简单、使用方便的特点。
滞回比较器是一种具有滞回特性的比较器，它的主要作用是消除输入信号的噪声和干扰。
滞回比较器通常采用正反馈结构，当输入信号超过一定阈值时，比较器的输出将发生反转，并在一定时间内保持在反转状态，以消除输入信号的瞬时变化和波动。
滞回比较器可以有效提高系统的抗干扰能力，提高信号的稳定性和可靠性。
窗口比较器是一种具有上下限阈值的比较器，它的主要作用是检测输入信号是否在指定的范围内。
窗口比较器通常用于测量和控制系统中，它可以根据上下限阈值对输入信号进行比较，并输出相应的高低电平信号。
窗口比较器可以实现对输入信号的范围限制和判断，具有较高的灵活性和可调性。
总的来说，过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器都是常见的比较器类型，它们在电子电路和控制系统中都有着重要的应用。
不同类型的比较器具有不同的功能和特性，可以根据具体的应用需求选择合适的比较器类型，并结合其他电子元件和系统组件实现更复杂的功能和控制任务。
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器是电子电路中常用的比较器类型，它们在不同的应用场景中发挥着重要的作用。
本文将分别介绍这四种比较器的工作原理、特点和应用。
过零比较器。
过零比较器是一种常见的比较器，其主要功能是检测输入信号是否经过零点。
它通常由一个比较器和一个零点检测电路组成。
当输入信号经过零点时，比较器输出一个脉冲信号，用于触发其他电路或控制系统。
过零比较器的特点是灵敏度高、响应速度快，适用于需要对输入信号的过零点进行检测和触发的应用场景。
例如，交流电路中的零点检测、电机控制系统中的位置检测等。
单限比较器。
单限比较器是一种常用的比较器，其主要功能是比较输入信号与设定阈值的大小关系。
当输入信号超过设定阈值时，比较器输出高电平信号；当输入信号低于设定阈值时，比较器输出低电平信号。
单限比较器的特点是简单易用、成本低廉，适用于需要进行简单电压比较的应用场景。
例如，电压监测电路中的过压保护、温度控制系统中的温度检测等。
滞回比较器。
滞回比较器是一种特殊的比较器，其主要功能是在输入信号的上升沿和下降沿分别输出高电平和低电平信号。
这种特殊的输出方式可以有效抑制输入信号的噪声和干扰，提高比较器的稳定性和可靠性。
滞回比较器的特点是抗干扰能力强、稳定性高，适用于需要对输入信号进行精确比较和稳定输出的应用场景。
例如，数字通信系统中的信号检测、传感器系统中的信号处理等。
窗口比较器。
窗口比较器是一种特殊的比较器，其主要功能是比较输入信号与设定的上下限范围。
当输入信号超出设定的上下限范围时，比较器输出高电平信号；当输入信号在设定的上下限范围内时，比较器输出低电平信号。
窗口比较器的特点是能够同时检测输入信号的上限和下限，适用于需要进行双向电压比较的应用场景。
例如，电源管理系统中的电压监测、电动车控制系统中的电池管理等。
综上所述，过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器是电子电路中常用的比较器类型，它们分别适用于不同的应用场景，具有各自独特的特点和优势。
滞回比较器的应用及门限电压的确定方法
缺点：如果输入电压在门限附近有微小的干扰， 就会导致状态翻转使比较器输出电压不稳定而出现错误阶跃。
迟滞比较器
二、迟滞比较器
例：R1 = 30 k，R2 =15 k,
反相输入迟滞比较器 反相输入施密特触发器UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。
uI R
8
R3
uO 当UuTI >u1P65时，135u0O = 2-U(VZ )
2. 同相输入单限电压比较器
uO
uI > UREF
uI UREF
8
R
UZ
uO
O
UREF
uI
门限
uI < UREF -UZ
电压 UT
稳压二极管：限定输出高低电平幅度ຫໍສະໝຸດ 门限电压 UT = UREF
1)工作在非线性区
R：稳压二极管限流电阻
特点:
2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时)
3)存在虚断
8
反相输入单限电压比较器 反相输入单限电压比较器
R1
UOH uO
波形变换
O UOL
t
The END！
O UT- UT+ uI 下门限
-UZ U
回差 电压
特点：
uI 上升时与上门限比,
uI 下降时与下门限比。
迟滞比较器应用举例
uI R
R3
8
UREF
P
R2
R1
uI UT+ uO
O
uO
UZ
UOH
O UOL
UTt t
整形电路
迟滞比较器应用举例
uI R
8
R3 uO
UT+ uI
过零比较器,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器
一、过零比较器过零比较器，顾名思义，其阈值电压U T=0V。
电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+U OM或-U OM。
当输入电压u I<0V时，U O=+U OM；当输入电压u I>0V时，U O=-U OM。
因此，电压传输特性如图(b)所示。
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，如右图所示。
★两只稳压管稳压值不同在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的U OH和U OL，如图（725）(a)所示。
图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U OM。
设稳压管D Z1的稳定电压为U Z1，稳压管D Z2的稳定电压为U Z2，U Z1和U Z2的正向导通电压均为U D。
当u I<0时，由于集成运放的输出电压u/O=+U OM，D Z1使工作在稳压状态，D Z2工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OH=（U Z1+U D）当u I>0时，由于集成运放的输出电压u/O=-U OM，D Z2使工作在稳压状态，D Z1工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OL=-（U Z2+U D）★两只稳压管稳压值相同若要求，U Z1=U Z2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为±U Z。
当u I<0时，u O=U OH=U Z；当u I>0时，u O=U OL=-U Z。
★稳压管接在反馈通路中限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，如右图所示。
假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+U OM，就是-U OM。
这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，D Z构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电阻上的电流i R等于稳压管的电流i Z，输出电压u O=±U Z。
26-3 滞回比较器和窗口比较器
滞回比较器和窗口比较器+U Zu Iu O-U ZO UT引入正反馈缺点：☐输出电压波形不够陡☐抗干扰能力差+U Zu Iu O-U ZO U T①Where ？②When ？U OH ＝+U Z ，U OL ＝─U Z③How ？u -＝u I2+O REF22FF FR R u u U R R R R =+++2TH OH REF2F 2FFR R U U U R R R R =+++2TL OL REF22FF FR R U U U R R R R =+++上门限下门限不同的单调变化方向，门限不同双门限U TLU TH滞回比较器+U Zu Iu O-U ZO U TLU TH①由于该电路存在正反馈，因而输出高、低电平转换很快。
+()O Id I O u u u u u u +↓→↓→=-↑→↓↓②两个阈值的差称为回差电压（门限宽度），即TH TLU U U ∆=-2OH OL 2()FR U U U R R ∆=-+U∆抗干扰能力强！U T2U T1灵敏度变差通过调整回差电压来改变电路某些性能ou i u RLU RH U R1R 2D 1D 2DZ U -+A 1-+A 2u o1u o2u iu Ou O1u O2D 1D 2u Ou i >U RH u i <U RL U RL <u i <U RH+U OM -U OM 导通截止+U OM -U OM 导通截止-U OM-U OM截止截止U RHU RLU Z××或门窗口比较器(双限比较器)。
单限-滞回-窗口比较[详细讲解]
![单限-滞回-窗口比较[详细讲解]](https://img.taocdn.com/s3/m/24b8555dce84b9d528ea81c758f5f61fb73628e6.png)
单限比较器一、过零比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图8.2.1所示。
(a) 电路图(b) 电压传输特性图8.2.1 过零电压比较器二、一般单限比较器将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值V REF上，就得到电压比较器，可方便地改变阈值。
电路如图8.2.2所示。
调节VREF(a) 电路图(b)电压传输特性图8.2.2 固定电压比较器比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。
开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。
非线性，因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。
8.2.3滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图8.2.3(a)所示电路。
(a) 电路图 (b) 传输特性图8.2.3 滞回比较器电路图当输入电压v I 从零逐渐增大，且T I V v ≤时，+=om O V v ，T V 称为上限阀值（触发）电平。
++++=om21221REF 1T V R R R R R V R V 当输入电压T I V v ≥时，-=om O V v 。
此时触发电平变为T V '，T 'V 称为下限阀值（触发）电平。
-+++='om 21221REF 1TV R R R R R V R V当I v 逐渐减小，且 T I V v '=以前，O v 始终等于V om -，因此出现了如图8.2.3(b)所示的滞回特性曲线。
回差电压∆V：()-+-+='-=∆om om 212TT V V R R R V V V8.2.4 窗口比较器窗口比较器的电路如图8.2.4所示。
电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。
设R 1 =R 2，则有DL H D CC 212D CC L 2=)2-(21)2-(=V V V V V R R R V V V +=+窗口比较器的电压传输特性如图8.2.5所示。
当v I V H 时，v O1为高电平，D 3导通；v o2为低电平，D 4截止，v O = v O1。
模拟电路：7-5 电压比较器
10k
uO1
- uO2R A2
+
A3
+
uO3
±6V
10 0 -10 6 0 -6 ui
uO1 = ui ; uO3 = uO2
uO1 < 0 → uO3 = +6 V uO1 > 0 → uO3 = 6 V ui > 0 → uO3 = +6 V uO1 < 0→ uO3 = 6 V
t
uO3
t
模拟电路复习
如果运放没有限幅措施, 如果运放没有限幅措施, 输出电压的正向, 输出电压的正向,负向饱和值分别与 非线 运放的正,负电源电压近似相等. 运放的正,负电源电压近似相等. 性区 发生状态的转换. u+ = u 时,发生状态的转换.
+
u +- u 非线 性区
此时的输入电压称为"阀值电压" 此时的输入电压称为"阀值电压"或"门限电压",用UTH表 门限电压" 示. 虚断"特点: i 2,有"虚断"特点: = i = 0 , 3,电路结构特点: 电路一般工作在开环状态或引入正反馈. ,电路结构特点: 电路一般工作在开环状态或引入正反馈.
电压比较器的应用
越限报警, 数转换和产生 变换波形. 数转换和产生, 越限报警,模/数转换和产生,变换波形.
电压比较器的分类
过零比较器,单限比较器,滞回比较器, 过零比较器,单限比较器,滞回比较器,双限比 较器(窗口比较器) 较器(窗口比较器)
电压比较器的电路特点
运放处于开环状态或有正反馈. 运放处于开环状态或有正反馈.
三,迟滞比较器(施密特触发器) 迟滞比较器(施密特触发器)
单门限电压比较器
第30讲（选讲）主要内容：单门限电压比较器和迟滞比较器基本要求：掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方波及锯齿波发生器的工作原理。
教学要点：单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理9.4非正弦波发生电路一、比较器比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。
常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。
这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。
1. 固定幅度比较器1) 过零比较器和电压幅度比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图9.4.1所示图9.4.1 过零比较器传输特性曲线将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值V REF上, 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图9.4.2所示:图9.4.2 电压幅度比较器电路图和传输特性曲线2) 比较器的基本特点(1) 工作在开环或正反馈状态。
(2) 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。
(3) 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。
2. 滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图9.4.3所示。
当输入电压v I 从零逐渐增大，且 时， ， 称为上限触发电平。
当输入电压 时， ，此时触发电平变为 ， 称为下限阈值(触发)电平。
图9.4.3 滞回比较器3. 窗口比较器窗口比较器的电路如图9.4.4所示。
电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。
设R 1 =R 2，则有：T I V v ≤+=om O V v T V ++++=om21221REF 1T V R R R R R V R V T I V v ≥-=om O V v T 'V T 'V -+++=om21221REF 1T 'V R R R R R V R V DL H D CC 212D CC L 2=)2(21)2(=V V V V V R R R V V V +-=+-图9.4.4 窗口比较器窗口比较器的电压传输特性如下图9.4.5所示.当v I>V H时，v O1为高电平，D3导通；v O2为低电平, D4截止，v O= v O1。
窗口比较器电路图解
窗口比较器电路图解
单限电压比较器和滞回电压比较器在输入电压ui单一方向变化时，输出电压uo只跃变一次。
因此只能检测出ui与一个参考电压值的大小关系。
假如要推断ui是否在两个给定的电压之间，就要采纳窗口比较器。
图1（a）是一种窗口比较器，外加参考电压URHURL，R1、R2和稳压管DZ构成限幅电路。
图 1 窗口比较器及其电压传输特性当输入电压uiURH时，uo1=+UOM，uo2=﹣UOM，因而二级管D1导通、D2截止，所以电路的输出电压uo=UZ。
当输入电压uiURL时uo1=﹣UOM，uo2= + UOM，因而二级管D1截止、D2导通，所以电路的输出电压uo=UZ。
当输入电压URLuiURH时，uo1=﹣UOM，uo2=﹣UOM，因而二级管D1和D2都截止，所以电路的输出电压uo=0。
窗口比较器的电压传输特性如图1（b）所示。
通过以上3种电压比较器的分析，可得出以下结论。
①在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的状况。
②一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。
③电压传输特性的3个要素是输出电压的高电平、低电平，阀值电压和输出电压的跃变方向。
输出电压的高电平、低电平打算于限幅电路；阀值电压是使输出电压uo从高电平跃变为低电平或者从低电
平跃变为高电平的某一输入电压；ui等于阀值电压时输出电压的跃变方向打算于同相输入端和反相输入端的相对大小关系。
常见电压比较器分析比较
常见电压比较器分析比较电压比较器通常由集成运放构成,与普通运放电路不同的就是,比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。
只要在两个输入端加一个很小的信号,运放就会进入非线性区,属于集成运放的非线性应用范围。
在分析比较器时,虚断路原则仍成立,虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。
一、零电平比较器(过零比较器)电压比较器就是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较与鉴别的电路。
参考电压为零的比较器称为零电平比较器。
按输入方式的不同可分为反相输入与同相输入两种零电位比较器,如图1(a)、(b)所示图1 过零比较器(a)反相输入;(b)同相输入通常用阈值电压与传输特性来描述比较器的工作特性。
阈值电压(又称门槛电平)就是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值,简称为阈值,用符号UTH表示。
估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。
这个临界条件就是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零),即U+=U–。
对于图1(a)电路,U–=Ui, U+=0, UTH=0。
传输特性就是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。
画传输特性的一般步骤就是:先求阈值,再根据电压比较器的具体电路,分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)与输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下,输出电压的变化规律,然后画出传输特性。
二、任意电平比较器(俘零比较器)将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设为直流电压),由于UR的大小与极性均可调整,电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。
图2 任意电平比较器及传输特性(a)任意电平比较器;(b)传输特性图3 电平检测比较器信传输特性(a)电平检测比较器;(b)传输特性电平电压比较器结构简单,灵敏度高,但它的抗干扰能力差。
也就就是说,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。
电压比较器ppt课件
按照结构分
由集成运放构成 集成电压比较器 有通用型、高速型、低功耗 型、低电压型和高精度型等。 自学
工作速度慢、带宽 窄且输出与其它电 路的兼容性差。
8.2.1 单限电压比较器
1. 过零电压比较器
输出只有高电平和低电平两种值。 比较器的输出电平发生跳变所对应的输入电压值称为门限电压。
输入信号从反相端加入，当输入从小增大过门限电压时，输出 从高电平跃变为低电平，称之为反相输入单限比较器。
R2 20 令uN = 0，可得 U T U REF 2 V 4 V R1 10
由于信号从反相端输入，故 当 uI < 4V 时， uO =UOH=6V 当uI > 4V 时， uO =UOL= 6V 因此可作出电压传输特性如图所示
8.2.2 迟滞比较器
也称施密特触发器。抗干扰能力强
由于是反相输入迟滞比较器， 因此可画出电压传输特性和 相应输出波形如图所示。
例8.2.2
图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。
解： 由图可得
UTH U TL 40 3 V 10 6 V 3.6V 40 10 40 10
按照功能特点分单限电压比较器迟滞电压比较器窗口电压比较器按照结构分由集成运放构成集成电压比较器有通用型高速型低功耗型低电压型和高精度自学工作速度慢带宽窄且输出与其它电路的兼容性电压比较器概述821输出只有高电平和低电平两种值
8.2 电压比较器
概述 8.2.1 单限电压比较器
8.2.2 迟滞比较器 *8.2.3 窗口比较器 *8.2.4 集成电压比较器
U TH
U REF R1 U Z R2 UP R1 R2 R1 R2
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一、过零比较器过零比较器，顾名思义，其阈值电压U T=0V。
电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+U OM或-U OM。
当输入电压u I<0V时，U O=+U OM；当输入电压u I>0V时，U O=-U OM。
因此，电压传输特性如图(b)所示。
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，如右图所示。
★两只稳压管稳压值不同在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的U OH和U OL，如图（725）(a)所示。
图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U OM。
设稳压管D Z1的稳定电压为U Z1，稳压管D Z2的稳定电压为U Z2，U Z1和U Z2的正向导通电压均为U D。
当u I<0时，由于集成运放的输出电压u/O=+U OM，D Z1使工作在稳压状态，D Z2工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OH=（U Z1+U D）当u I>0时，由于集成运放的输出电压u/O=-U OM，D Z2使工作在稳压状态，D Z1工作在正向导通状态，所以输出电压u O=U OL=-（U Z2+U D）★两只稳压管稳压值相同若要求，U Z1=U Z2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为±U Z。
当u I<0时，u O=U OH=U Z；当u I>0时，u O=U OL=-U Z。
★稳压管接在反馈通路中限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，如右图所示。
假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+U OM，就是-U OM。
这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，D Z构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电阻上的电流i R等于稳压管的电流i Z，输出电压u O=±U Z。
电路优点：◆由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；◆由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。
二、一般单限比较器如图(a)所示为一般单限比较器，U REF为外加参考电压。
根据叠加原理，集成运放反相输入端的电位（推导过程）令u N=u P=0，则求出阈值电压当u I<U T时，u N<u P，所以u/o=+U OM，uo=U OH=+U Z；当u I>U T时，u N>u P，所以u/o=-U OM，uo=U OL=-U Z。
若U REF<0，则图(a)所示电路的传输特性如图(b)所示。
综上所述，分析电压传输特性三个要素的方法是：★通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平U OL和输出高电平U OH；★写出集成运放同相输入端、反相输入端电位u N和u P的表达式，令u N=u P，解得输入电压就是阈值电压；★uo在u I过U T时的跃变方向决定于u I作用于集成运放的哪个输入端。
◆当u I从反相输入端输入时，u I<U T，uo=U OH；u I>U T，uo=U OL。
◆当u I从同相输入端输入时，u I<U T，uo=U OL；u I>U T，uo=U OH。
绝大多数比较器中都设计带有滞回电路,通常滞回电压为5mV到10mV。
内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。
但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡,却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。
这种情况下需要增加外部滞回,以提高系统的抗干扰性能。
首先,看一下比较器的传输特性。
图1所示是内部没有滞回电路的理想比较器的传输特性,图2所示为实际比较器的传输特性。
从图2可以看出,实际电压比较器的输出是在输入电压(VIN)增大到2mV时才开始改变。
图1.理想比较器的传输特性图2.实际比较器的传输特性运算放大器在开环图3.无滞回电路时比较器输出的模糊状态和频繁跳变举个例子,考虑图4所示简单电路,其传输特性如图5所示。
比较器的反相输入电压从0开始线性变化,由分压电阻R1、R2构成正反馈。
当输入电压从1点开始增加(图6),在输入电压超过同相阈值VTH+=VCCR2/(R1+R2)之前,输出将一直保持为VCC。
在阈值点,输出电压迅速从VCC跳变为VSS,因为,此时反相端输入电压大于同相端的输入电压。
输出保持为低电平,直到输入经过新的阈值点5, VTH-=VSSR2/(R1+R2)。
在5点,输出电压迅速跳变回VCC,因为这时同相输入电压高于反相输入电压。
图4.具有滞回的简单电路图5.图4电路的传输特性图6.图4电路的/输出电压波形图4所示电路中的输出电压VOUT与输入电压VIN的对应关系表明,输入电压至少变化2VTH时,输出电压才会变化。
因此,它不同于图3的响应情况(放大器无滞回),即对任何小于2VTH的噪声或干扰都不会导致输出的迅速变化。
在实际应用中,正、负电压的阈值可以通过选择适合的反馈设置。
其它设置可以通过增加不同阈值电压的滞回电路获得。
图7电路使用了两个MOSFET和一个电阻网络调节正负极性的阈值。
与图4所示比较器不同,电阻反馈网络没有加载到负载环路,图8给出了输入信号变化时的输出响应。
图7.通过外部MOSFET和电阻构成滞回电路图8.图7电路的输入/输出电压波形比较器内部的输出配置不同,所要求的外部滞回电路也不同。
例如,具有内部上拉电阻的比较器,可以在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻。
输入分压网络作用在比较器的同相输入端,反相输入电压为一固定的参考电平(如图9)。
图9.在带有上拉电阻的比较器中加滞回电路如上所述,具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于输入上升电压(VTHR),一个用于检测输入下降电压(VTHF),对应于图8的VTH1和VTH2。
两个门限的差值为滞回带(VHB)。
当比较器的输入电压相等时,滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入,从而使比较器避开产生振荡的区域。
图10所示为比较器反相输入端电压固定,同相输入端电压变化时的工作过程,交换两个输入可以得到相似波形,但是输出电压极性相反。
图10.图9电路的输入/输出电压波形根据输出电压的两个极限值(两个电源摆幅),可以很容易地计算反馈分压的电阻值。
内部有4mV滞回和输出端配有上拉电阻的比较器--如Maxim的MAX9015、MAX9017和MAX9019等。
这些比较器设计用于电压摆幅为VCC和0V的单电源系统。
可以按照以下步骤,根据给定的电源电压、电压滞回(VHB)和基准电压(VREF),选择并计算需要的元件：第1步选择R3,在触发点流经R3的电流为(VREF-VOUT)/R3。
考虑到输出的两种可能状态,R3由如下两式求得：R3=VREF/IR3和R3=(VCC-VREF)/IR3.取计算结果中的较小阻值,例如,VCC=5V,IR3=0.2µA,使用MAX9117比较器(VREF=1.24V),则计算结果为6.2M和19M,选则R3为6.2M。
第2步选择滞回电压(VHB)。
在本例中,选择滞回电压为50mV。
R1可按下式计算。
对于这个例子,R1的值为：VIN上升门限(VTHR)的选择,例如：在该门限点,当输入电压VIN超过阈值时,比较器输出由低电平变到高电平。
本例中,选择VTHR=3V。
第5步计算R2,R2可按下式计算：本例中,R2的值为44.2k。
第6步按如下步骤验证电压和滞回电压：VIN上升门限=2.992V,等于VREF乘以R1,除以R1、R2和R3并联后的阻值。
VIN下降门限=2.942V。
因此,滞回电压=VTHR-VTHF=50mV.最后,开漏结构的比较器内部滞回电压为4mV(MAX9016、MAX9018、MAX9020),需要外接上拉电阻,如图11所示。
外加滞回可以通过正反馈产生,但是计算公式与上拉输出的情况稍有不同。
滞回电压=VTHR-VTHF=50mV。
按如下步骤计算电阻值：选择R3,在IN_+端的漏电流小于2nA,所以通过R3的电流至少为0.2µA,以减小漏电流引起的误差。
R3可由R3=VREF/IR3或R3=[(VCC-VREF)/IR3]-R4两式求得,取其较小值。
例如,使用MAX9118 (VREF=1.24V),VCC=5V,IR3=0.2μA,R4=1M,计算结果为6.2M和18M,则R3选6.2M。
第2步选择需要的滞回电压(VHB)。
第3步选择R1,R1可按下式计算：在此例中,R1为：第4步选择VIN上升门限(VTHR),如下式：在该门限点,当输入电压VIN超过阈值时,比较器输出由低电平变到高电平。
本例中,选择VTHR=3V。
第5步计算R2,如下式：本例中,R2的值为49.9k。
第6步按如下步骤验证触发电压和滞回电压：图11.在输出为开漏结构的比较器中加滞回电路窗口比较器”又叫“双限比较器”，是指在输入信号的上升沿和下降沿翻转电压不同的比较器，两个电压之间的值为窗口宽度。
窗口比较器常用两个比较器组成（双比较器），它有两个阈值电压VTHH（高阈值电压）及VTHL（低阈值电压），与VTHH及VTHL比较的电压VA输入两个比较器。
若VTHL≤VA≤VTHH，Vout输出高电平；若VA＜VTHL，VA＞VTHH，则Vout输出低电平，如图10所示。
图10是一个冰箱报警器电路。
冰箱正常工作温度设为0～5℃，（0℃到5℃是一个“窗口”），在此温度范围时比较器输出高电平（表示温度正常）；若冰箱温度低于0V或高于5℃，则比较器输出低电平，此低电平信号电压输入微控制器（μC）作报警信号。
温度传感器采用NTC热敏电阻RT，已知RT在0℃时阻值为333.1kΩ；5℃时阻值为258.3kΩ，则按1. 5V工作电压及流过R1、RT的电流约1.5uA，可求出R1的值。
R1的值确定后，可计算出0℃时的V A值为0.5V（按图10中R1=665kΩ时），5℃时的VA值为0.42V，则VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。
若设R 2=665kΩ，则按图11，可求出流过R2、R3、R4电阻的电流I=（1.5V-0.5V）/665kΩ=0.0015mA，按R4×I/ =0.42V，可求出R4=280kΩ再按0.5V=（R3+R4）0.0015mA，则可求出R3=53.3kΩ。
本例中两个比较器采用低工作电压、低功耗、互补输出双比较器LT1017，无需外接上拉电阻。
如果要判别输入信号电压ui是否进入某一定范围，则可以用图1（a）所示的窗口比较器来进行判别。
该窗口比较器是由一个反向输入差动任意电平比较器和另一个同相输入差动任意电平比较器适当地组合而成。