第六章 电压比较器

2. 加上参考电压后的上行滞回比较器
R
当uo= -UOM时：
－+ + R2

UR
ui
uo
R2 R1 R2
ui
R1 R1 R2
U om U R
R1
当uo= +UOM时：
R2 R1 R2 ui R1 R1 R2 U om U R
上下门限电压：
UH R1 R2 U om R1 R 2 R2 UR UL R1 R2 U om R1 R 2 R2 UR
ui
例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输 入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。 ui 10V 5V 0 ui
UR R1 R2 t
Uom
R
－+ +

uo
uo
UL UH
0
-Uom
ui
ui UR
R
－+ + R2

uo
例：R1=10k，R2=20k ， UOM=12V， UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。
C C0
所以
f s 与 f p 很接近
ຫໍສະໝຸດ Baidu
品质因数为 Q
1 R
L C
高达10 ~10 ，稳定度10 ~10
4
6
-6
-8
图 并联型石英晶体振荡电路
图 串联型石英晶体振荡电路
6.2 电压比较器
非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态， 输出与输入的关系 uo=f( ui ) 是非线性函数。 电压比较器：对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成 非正弦波发生电路的基本单元电路。
F 0
1 2 RC
AF 1
A 1 Rf R1 F 1 3
R f 2R1
f0
稳幅措施
采用非线性元件
热敏元件 起振时，AV 即
1 Rf R1 3
负温度系数热敏 电阻
AV FV 1
热敏电阻的作用
正温度系数热敏 电阻
LC正弦波振荡电路
（1）变压器反馈式振荡电路（定性分析）
• RC振荡器： f <1MHz • LC振荡器： f >1MHz • 石英晶体振荡器：振荡频率非常稳定 • (根据最后表现形式可把其归入LC振 荡器）
用运放组成的RC振荡器 因为：
A 1 Rf R1
A 0
所以，要满足相位 条件，只有在 fo 处
RC正弦波振荡电路一般用于产 生频率低于 1 MHz 的正弦波
u c ( t ) U OM (U L U OM ) e

t RC
T1
T2
2 R1 R2
)
U H U OM (U L U OM )e
VC C M vo R b1 C L c T e Re Ce
(+)
(+)
R b2 C1
(+) b
(-)
反馈
满足相位平衡条件
+UCC
+
C1
– C2
+ + –
C
正反馈
频率由LC谐振网络决定。
图8.1.24
例8.1.2 电路图
(+)
(+) (+)
反馈
变压器反馈式振荡电的路优缺点：
优点：易产生振荡，波形较好，应用范 围广。 缺点：由于输出电压与反馈电压靠磁路 耦合，故耦合不紧密，损耗较 大，且振荡频率的稳定性不高。
分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差。
例：反相滞回比较器的 输入为正弦波时， 画出输出的波形。
ui
UH
UL
t
ui
R
－+ +
R1 R2

uo
ui
Uom
t
-Uom
2.加上参考电压后的反相滞回比较器
加上参考电压后的上下限：
ui
UR
R
－+ +
R2

uo
UH
R1 R1 R 2
U om
第六章 波形的发生和信号转换
振荡电路的基本组成部分
放大电路（负反馈）：获得一定幅值的输出量 正反馈网络：引入正反馈，输入信号等于反馈信号
选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，单 一频率的振荡。经常与反馈网络合二为一。）
稳幅环节（使输出信号幅值稳定，经常与放大电 路合二为一）
Xd
基本放大 电路A
6.3 非正弦波发生电路
方波
三角波
锯齿波
尖顶波 图
阶梯波 几种常见的非正弦波
6.3.1 矩形波发生电路：是基础
一、电路结构 uc R – + C
R1 R2
积分电路
－ + +

uo
反相滞回比较器，输出经积 分电路再输入到此比较器的 反相输入端。 RC回路既是延迟环节，也 是反馈网络
反相滞回比较器
（2）三点式LC振荡电路
谐振时满足：X1＋X2+X3＝0
T
三点式振荡器构成原则：
X1
X2
1 ）与发射极（或运放同相端）相 连的两个电抗性质相同(X1，X2)
2 ）不与发射极（或运放同相端） 相连的电抗性质与前两者相反(X3)
X3
X3
2 3
X1
1
X2
X1，X2同为电容时，称为电容三点式振荡器。 X1，X2同为电感时，称为电感三点式振荡器。

uo
UL
0
-Uom
ui
例：已知输入输出电压波形，求电压传输特性
输出高低电平9V；阈值3V；小于为正，反入
滞回比较器电路改进：为了稳定输出电压，可以在 输出端加上双向稳压管。 UZ
ui
R
－+ + R2

uo
ui R
R1
UZ
R1
－+ + R2

uo
图 滞回比较器输出波形
抗干扰能力强
如图所示。由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平 上，若ui上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差 ΔU，则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。 应该指出，回差ΔU的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。输入电 压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。
+UOM
uo
UL UH
t
0
-Uom
ui
0
-UOM
同相滞回比较器
1. 没加参考电压的同相滞回比较器 R uo －+ 当uP>uN=0时，uo= +UOM + ui 当uP<uN=0时，uo= -UOM R1 R2 uP=0时输出翻转，可以求出上下门限电压。
R2 R1 R 2 ui R1 R1 R 2 U om 0
单限比较器存在的主要问题：是抗干扰能力差，如 图所示，若ui在参考电压ur(=0)附近有噪声或干扰，则输 出波形将产生错误的跳变，直至ui远离ur值才稳定下来。 如果对受干扰的uo波形去计数，计数值必然会多出许多， 从而造成极大的误差。
滞回比较器
特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。
反相滞回比较器
R1
首先计算上下门限电压：
UH R1 R1 R 2 U om R2 R1 R 2 U R 10 V
UL
R1 R1 R 2
U om
R2 R1 R 2
U R 2V
根据传输特性画输出波形图
R
ui
－+ +

uo
ui
10V 5V 2V 0
t
UR R1
Uom
R2 uo
Xo
Xf
反馈电路
F
6.1 正弦波振荡电路
起振条件
AF 1
振幅起振条件 | A F | 1 a f 2 n 相位起振条件 | A F | 1
a f 2n
振幅平衡条件 相位平衡条件
平衡条件 A F 1
振荡电路以选频网络分类
+

+
uo
UOH
uo t
UOL
u 电路改进：用稳压管稳定输出电压。 o
ui
+

+ UZ
uo
+UZ
0
-UZ
ui
电压比较器的另一种形式 ——将双向稳压管接在负反 馈回路上
图
电压比较器输入级的保护电路
电压传输特性三要素及其分析方法： （1）确定输出高低电平：有无限幅电路 （2）确定阈值电压UT ：uP=uN （3）跃变的方向：uI作用于哪个输入端 反相：由小变大是高，由大变小是低 同相：由小变大是低，由大变小是高
ui
R1 R2
U om U H
U om U L
R2 R1 R 2
ui
R1 R1 R 2
U om 0
ui
R1 R2
R ui R1
－+ + R2

uo
uo
Uom
上下门限电压：
UH R1 R2 U om
U om
UL
UH
0
-Uom 传输特性曲线
ui
UL
R1 R2
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。——压电谐振
机械振动惯性 静态电容
特性 A. 串联谐振
fs 1 2 LC
晶片的弹性
晶体等效阻抗为纯阻性
晶片的摩擦损耗
图 石英晶体的等效电路及其频率特性
B. 并联谐振
2 LC 等效阻抗为纯阻性
通常
C C 0
fp
1
1
C C0
fs 1
UREF
uo
UOH
+

+
ui
uo
UOL
0
UREF
ui
当ui < UREF时 , uo = UOH
当ui >UREF时 , uo = UOL
三、过零比较器: (UREF =0时)
uo
ui
+

+
UOH
uo
UOL
0
ui
+

+
uo
ui
uo
0 UOL
UOH
ui
例：利用电压比较器将正 弦波变为方波。
ui
t
ui
UH
R1 R1 R2

U om
UL
R1 R1 R2
U om
ui
R
－+ +
R1 R2
uo
传输特性：
uo
Uom
UL
UH
当ui 增加到UH时，输出 由Uom跳变到-Uom； 当ui 减小到UL时，输出 由-Uom跳变到Uom 。
0
-Uom
ui
小于回差的干扰不会引起跳转。 跳转时，正反馈加速跳转。
输出波形：
0 - UOM
T
方波发生器各部分的作用：
– uc + C R

－ + + R1 R2
uo
RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。 反相滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。
三、周期与频率的计算
U H U L R1 R1 R2 U OM
uc UH t 0 UL
uc上升阶段表示式:
传输特性：
uo
UR ui R －+ +

uo
Uom
UL
UH
0
R1 R2
-Uom Uom
ui
对照 R ui R1 R2
uo
UH
－+ +

uo
UL
0
-Uom
ui
反相和同相滞回比较器传输特性的比较:
R
ui
－+ +
R1 R2

uo
UL
Uom
uo
UH
0
-Uom
ui
Uom
uo
UH
R ui R1
－+ + R2
电感三点式振荡电路
图 电感反馈式振荡电路
图 电感反馈式振荡电路的交流通路
电容三点式振荡电路
图
电容反馈式振荡电路
6.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
石英晶体的基本特性与等效电路 结构 极板间加交变电场 晶体机械变形 极板间加机械力 晶体产生交变电场 压电效应 交变电压 机械振动 交变电压
机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高
输出电压高电平UOH （正的饱和值UOM ） 阈值电压(转折电压)UT
uo
跃变的方向
ui
输出电压低电平UOL
（负的饱和值-UOM ）
运放开环应用
运放电路中只有正反馈
图8.2.2 电压比较器电压传输特性举例
单(门)限比较器
滞回比较器
窗口比较器
单限电压比较器
一、若ui从同相端输入
uo
UOH
ui
UREF
R2 R1 R 2
UR
R1
UL
R1 R1 R 2
U om
R2 R1 R 2
uo
UR
Uom
UL
UH
0
-Uom
ui
反相滞回比较器两种电路传输特性的比较:
R
ui
－+ +
R1 R2

uo
UL
Uom
uo
UH
0
-Uom

ui
ui UR
R
uo
Uom
uo
UL UH
－+ + R2
0
R1
-Uom
2. 当uo = -UOM 时， u+=UL – uc + R
此时，C 经输出端放电。

C
R1
－+ +
R2
uc uo UH t UL
uc降到UL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。
–
uc C
uc
+
R
－ + +

UH 0 t
uo
UL uo
R1 R2
UOM t
+
–

+
ui uo
UOL
vI T V R EF O 2 3 4
0
UREF
传输特性
UREF：参考电压 ui ：被比较信号
特点：运放处于开环状态。 当ui > UREF时 , uo = UOH 当ui < UREF时 , uo = UOL
t
vO VOH O VOL t
二、 若ui从反相端输入
上下门限电压：
UH R1 R1 R 2 U om
UL R1 R1 R 2 U om
–
uc C R1
+
R － + +

uc
U+H
uo
uo
UOM
0
t
R2
二、工作原理
-UOM
0
t
1. 设 uo = + UOM ，则uP=UH 。此时，输出给C 充电! 在 uc < UH 时，uN<uP，uo 保持+UOM不变 一旦 uc > UH , 就有 uN> uP , uo 立即由＋UOM 变成－UOM
1. 没加参考电压的下 行滞回比较器
分析
1. 因有正反馈，输出饱和。 2. 当uo正饱和时(uo =+UOM) ：
U R1 R1 R2 U om U H
ui
R
－+ +
R1 U R2 +

uo
3. 当uo负饱和时(uo =–UOM) ：
U R1 R1 R2 U om U L