第三章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关

电压比较器的传输特性
电压比较器一般是开环工作，其增益很大。
电压比较器的输入输出关系：
uo

uoL uoH
ui ur ui ur
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)
U CH
| UCL
|
R2 R1 R2
U oH

10k 10k 10k
12V

6V
3)振荡频率为：
f0

1 2RC ln1
2R2 R1


91Hz
二、双运放构成的弛张振荡器
R2
R1
UCC
+
A1
-
-UEE
R uo1
RW
C
UCC
-
A2
+
uo2
-UEE
双运放方波-三角波振荡器
U EE
U oH uo
UrL 0
ui
U rH
U oL
同相输入迟滞比较器传输特性
同理：
U TL


R1 R2
U OH


R1 R2
U CC
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。
R
R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,
UCC -
试求uo(t)和uc(t)的波形幅度和频率。
解：1） uo(t)为方波，其幅值为：
Uom UoH | UoL | UCC 12V
uC = C
+ A1
-UEE
R2 R1+R2
UoH
R1 R2
uo
2） uc(t)近似为三角波，其幅值为：

2
R1 R2
U CC
ΔQ C
1 C
iC dt

1 C
U CC
R
T1
T1

2RCR1
R2
f0

1 T

1 2T1

R2
4RCR1
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
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，
专用单片集成电压比较器有单比较器、双比较器和四比较 器。
3.4 模 拟 开
模拟开关是电子系统中常用的基本单元，主要控制信号的 通断。
理想模拟开关的特性是：接通时相当于断路，关断时相当 于开路，工作速度快，开关间的隔离度好。
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。
ui
R1
1k
R2
5 k 12V
-
3k
+ A1
uo1
-12V
12V
-
+ A2
uo2
-12V
ui 1.6V
t
0
-1.6V
10 k 10 k
解： 1、电路组态分析
ui
1.6V
t
0
A1组成反相比例放大器
-1.6V
A2组成反相输入迟滞比较器
U oH

R2 R1 R2
U CC
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，
即由高电平跳变到低电平UoL。此时的U+记为高门限电压UTH：
U TH

F正U oH

R2 R1 R2
U oH
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

R1 R1 R2
U oH

R2 R1 R2
U o2
U

0
故
U o2
U o2m


R1 R2
U oH


R1 R2
U CC
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：
故 因此U' 来自R1 R1 R2
第三章 电压比较器、弛张振荡器及模 拟开关
本章重点介绍电压比较器、弛张振荡器，简单介绍模拟 开关。
3.1 电压比较器 3.2 弛张振荡器 3.3 单片集成专用电压比较器 3.4 模拟开关
3.1 电 压 比 较
电压比较器广泛用于“电压比较”、“电平鉴定”、 “波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电 路”以及“模/数变换”等。
UTH
U TL

2
R2 R1 R2
U CC
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
根据三要素法，电容电压为：
uc
(t
)

U
C
()

U
C
()

U
C
(0)
e
t
其中： UC () UoH UCC
UC (0)
U
'

F正U oL

R2 R1 R2
U EE
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：
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 TL
Ur2

R1 R1 R2
U EE
综上所述，迟滞比较器的传输特性如图
uo
uo
U oH uo
0
ui +
U rH
UrL 0
ui
U
UrL 0
ui
U rH
U oL
回差电压：
U
UTH
U TL

2R1 R1 R2
U CC
2)
R2
同相输入迟滞比较器电路如图
ui 0
uo 0
uo1 UTH=6V
8V
t
uo1 5 ui 8sin t
0
UTL=-6V
-8V
U TH

10k 10k 10k
U
CC

6V
uo2
U TL

10k 10k 10k
U
EE

6V
0
t
3.2 弛 张 振 荡
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。
1、
uo
ui ur
干扰
t 0
t
0
uo
错误跳变
t 0
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)
电源供电电压UCC 和 -UEE
ui 0
uo 0
uo U oH U CC
ui
ui
R1
+
A
-
uo
uo U oL U EE
当 ui 极性变正且同相端电压U+=U-=0时，输出状态才可
能由负UOL 向正UOH 发生跳变。
即：
R2 R1 R2
Ui

R1 R1 R2
Uo

0
R2 R1 R2
U TH

R1 R1 R2
Uo

0
U TH


R1 R2
U OL

R1 R2
U oL

R2 R1 R2
U o2
U

0
U
' o2

U
' o2m


R1 R2
U oL

R1 R2
U EE
U o2pp

2
R1 R2
U CC
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：
U C

2
R1 R2
U CC
U C
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。
例3.1.1 电路和输入信号如图，试分别画出uo1和uo2的波形。
R2
R1 10k
10F
10k 12V
-
A1
+
R
uo1 3k
+
12V
A2
uo
ui
+ -
C
解：
R
50k
-12V
-
U r 2V
-12V
隔直
三、迟滞比较器——正反馈比较器——
电路特点：A1构成同相输入的迟滞比较器， A2为理想积分器 理想积分器保证电容恒流充放电，因而三角波线性很好。
电路工作原理：
A1 输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电， 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 态转换，周而复始形成振荡。
uo1
UoH
T1
T2
0
t
UoL
uo2
Uo2m
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。
状 态记 忆 单元
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
R
uo(t) uc(t)
UCC
-
+ A1
UoH
uo
R2 R1+R2
UoH
uc(t) t2
模拟开关可以有双极性晶体管组成，也可以由MOS场效应 管组成。
CMOS模拟开关：电路简单，功耗小，导通电阻小，关断 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。 3、MAX4661模拟开关：4个独立的单刀单掷模拟开关。
uoH UCC
uoL U EE
专用比较器的输出电平：
uoH 3.4 V 2、
uoL 0.4 V
uidm ax

U CC Aud
uidm in

U EE Aud
uid (uidmin, uidmax) uo (UoL , UoH ) （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
U CC
此后 ui 继续增大， uo 一直维持在低电平。此时参考电压为：
U r2
Uf1

R1 R1 R2
U oL

R1 R1 R2
U EE
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。
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。
二、电压比较器的开环应用––简单比较器
1.
2.
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，
UTL


R2 R1 R2
U oL
RC
当 t=T1 时，发生转换：
从而
uc (T1)
UTH

R2 R1 R2
U oH
T2

ln
UoH UoH
UTL UTH
振荡频率为：
f0

1 T

1 2T2

1 2RC ln1
2R2 R1

例3.2.1 电路如图，设C=0.1μF，
0
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
uo1的高电平 UOH

U
，低电平
CC
U
OL

U EE
Uo1PP 2UCC
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，
t
uC = C
-UEE
R1
R2 R1+R2
UoH
R2
0
R2 R1+R2
UoL
UoL
T/2 t1 T T2 T1
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 R1 R2
R
-
A
uo
+
U r1
Uf1

R1 R1 R2
U oH

R1 R1 R2
U CC
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
U r1

R1 R1 R2
U oH

R1 R1 R2
二、模拟开关的应用 1、增益控制 2、脉冲调制 3、时分多路数据采集
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电路特点：开环或者引入正反馈，总体放大器工作于“非 线性”状态，“虚短路”和“虚地”概念不适用。 一、电压比较器的基本特性
功能：电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小， 据此决定输出是高电平还是低电平。
输出：比较器输出只有两个状态， “1”或是“0” 。
电压比较器的符号及传输特性
电压比较器的符号