几种电压比较器的说明和比较
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集成运放组成的电压比较器
1.功能及应用:主要用来判断输入信号电位之间的相对大小,它至少有两个输入端及一个输出端,通常用一个输入端接被比较信号U i,另一个则接基准电压V R定门限电压(或称阀值)的U T。输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波,应用于模-数转换,波形产生及变换,及越限警等。
2.运放的工作状态:开环和正反馈应用:运放在线性运用时,由于开环增益一般在105以上,所以其对应的输入的线性范围很小,U i数量级,为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈,降低其开环增益。而比较器则希望其输入的线性范围越小越好(即比较灵敏度越高)采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。见图8.2.1,请注意横、纵坐标标度的不同
(1)从途中可化称
(2)若U i发出变化,使Uo从负波饱和值突变到正饱和值,只在经过极窄的线性区
时,才遵循在线性工作时才特有的“虚短”,其它时刻“虚短”不复存在。
(3)若横坐标采用与纵坐标相同的标尺,则线性部分特性与纵轴合拢。
(4)若用正反馈使Aod↑,则可缩短状态的转换时间。
3.分类:
(1)单限比较器
(2)迟滞比较器(Schmitt)
(3)双限比较器(窗口比较器)
二.单限比较器
1.U i与U R分别接运放两输入端的开环串接比较器,见图8.
2.2
ΔU i>U R Uo=+Uom
ΔU i
ΔU i=U R Uo发生翻转(或称突变)
U T=U R谶纬门限电压或阀值,若UR=0称为过零比较器
Δ当U i与U R互换位置,此时Uo以U i=U R为对称轴与交换量对称。
2.U i与U R并联在运放同一输入端时的开环并接比较器见图8.2.3
Δ在同相端可作Therenin等效
当Uoc>0时,即Uo=+Uom
当Uoc<0时,即Uo=-Uom
可见
Δ若把运放的同相端与反相端互换,则与图8.2.2(b)类同
三.迟滞比较器(正反馈比较器)
其特点抗干扰能力较强。在单限比较器种,如果U i受到干扰,在阀值附近回出现U i+ΔU i(干扰信号多出现在阀值电压上,下波动,以致出现条纹误翻转,而迟
滞比较器利用其传输特性的回差电压,输入的干扰信号不能使状态误翻转。
1.两种迟滞比较器的传输特性见图8.
2.4
动画演示
迟滞比较器在单调区间内只能变化一次;
对于反相:Ui从小变到大时,Uo一直为高电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为低电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为低;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为高电平
对于同相:Ui从小变到大时,Uo一直为低电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为高电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为高;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为低电平
Δ同相型:U i接运放同相端
反相型:U i接运放反相端
Δ均由二根传输特性(1),(2)合成,同相型.当U i从低值↑≥U TH,Uo从U OL↑U OH;当U i从高值↓≤U TL时,Uo从U OH↓U OL。反相型则类同。
ΔU TH,U TL为二个阀值,ΔU T(回差)=U TH-U TL
Δ|U OH|=|U OL|或|U OH|≠|U OL|根据输出是否有箝位电路而定。
2.二种基型迟滞比较器
(1)反相型迟滞比较器见图8.2.5
U i=U-,Uo被箝位在±UZ,避免运放计入过饱和。
假设U i在足够低时,U i
此时
Δ当U i从低值↑若U i≥U+时,Uo从+U Z↓-U Z
此时
Δ当U i从高值↓至U i≤,Uo从-U Z↑+U Z
Δ门限宽度ΔU T=U TH-U TL=
Δ当U R=0时,
ΔU i无论从足够低或足够高单调增加或单调减少,Uo仅翻转一次,即过了阀值后就维持在一种稳态。因为当过阀值电压后,Uo从低变为高或从高变为低了,正反馈到Ur(Uth)端,使该阀值电压变高或变低了。只要门限宽度ΔU T=U TH-U TL 幅度大于U I 在阀值电压波动的幅度,Uo就不会翻转了,所以比单限比较器抗干扰能力强多了。
(2)同相迟滞比较器见图8.2.6
注××××××:U i 和Ur 的位置应该互换一下
U TL=U-
设U i足够低,使U+< U-=U R,Uo=U oL=-U Z(初始稳态)
若要使Uo从-U Z上升到+U Z,必须使U i↑,以致使U+≥U-=U R才行,而此时对应U R的U i=U TH
Δ当U i从低值↑,使
即此时Uo从-U Z↑+U Z
Δ当U i从高值↓,使时所对应的U i=U TL
即此时Uo从+U Z↓-U Z
同上面反相型类同,Ui单调升或单调降,Uo只改变一次状态,过了阀值后只维持在一种稳态上。
我的理解:首先求出阀值电压;阀值电压是在放大器处在线性区域时求得的,不过在正反馈中,线性区域很窄。在该区域,才可以用到虚断和虚短的概念。(在正反馈状态下,只有在输出电压发生跳变瞬间,集成运放两个输入端之间的电压才可近似等于0,才能用到虚断和虚短的)
Vp=Vn=Ur
Vr=R1*Ui/(R1+R2)+ R2*Uo/(R1+R2)(1)
而门限电压是对于输入电压来说的,当输入电压大于或小于这个Uth时,输出就
会有跳变。所以
当Ui= Uth时,这时的输入电压就是门限电压:
而由(1)式可求出,Uth=Ui=Ur(R1+R2)/R1 –R2Uo/R1,(Uo=+-Uz)
四.双限比较器(窗口比较器)
其特点是U i单调升或单调降,Uo均有两次突变,与单限比较器和迟滞比较器有区别,因此它可以判别U i是否在两个电平之间。它实际上由二个单限开环比较器组成,D1,D2作用为隔断,Uo1,Uo2连接通路,避免Uo1,Uo2极性相反时,互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。
ΔU i
ΔU i>U RH(>U RL)