电压比较器原理

第二十四讲 电压比较器
一、概述 二、单限比较器
三、滞回比较器
四、窗口比较器 五、集成电压比较器
一、概述
1. 电压比较器的功能：比较电压信号(被测试信号与
标准信号)大小。广泛用于各种报警电路和鉴幅。比较器 是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、 D/A和A/D转换电路中应用广泛。 输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果， 只有高电平和低电平两种情况。 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。
R1
解
R2
图8.2.6为过零比较器 图8.2.7为一般单限比较器。
R1 U T U REF 2V R2
图8.2.8 例8.2.1波形图
三、滞回比较器
1.从反相输入端输入的滞回比较器电路
1）计算阈值电压UT u N uI
R1 uP uO , 令u N uP，得 R1 R2
2.集成电压比较器的基本接法
1)通用型集成电压比较器AD790(P435) 引脚图 +12V单 电源供 电，逻 辑电源 为5V。
±5V双电 源供电， 逻辑电源 为5V。
±15V双 电源供电， 逻辑电源 为5V。
2)集电极开路集成电压比较器LM119
电路为双限比较器， 能实现线与功能
金属封装的管脚图
讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性
加参考电压UREF
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 改变输出限 阈值电压时输出电压的 幅电路UZ 跃变方向，则应如何修 改电路？
（将同相输入端与反相端所接外电路互换）
四、窗口比较器
前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃 变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。
U OM
uI U RH uI U RL
U OM U OM
当uI>URH时，uO1= － uO2= UOM，D1导通， D2截止； uO= UZ。 当uI<URH时，uO2= － uO1= UOM，D2导通， D1截止； uO= UZ 。 当URL<uI< URH时， uO1= uO2= －UOM，D1、 D2均截止； uO= 0。
讨论二
已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（a）所示， 试求解图（b）～（e）各电路的电压传输特性。
求解过程：见西提解答的P251例8.1.9；P254的例8.1.10
讨论三
已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它 们各为哪种电压比较器；输入电压为5sinωt (V)，画出各 电路输出电压的波形。
UT R1 U Z R1 R2
U O U Z
（3）综述：uo从+UZ跃变到-UZ的阈值电压为+UT；uo从-UZ 跃变到+UZ的阈值电压为-UT； uI在-UT与+UT之间增加或减小, uO不发生变化。Βιβλιοθήκη 2.加了参考电压的滞回比较器
UREF 为参考电压； uI 为输入电压； 输出电压uO为+UZ 或-UZ。
反相输入 滞回比较器
同相输入 单限比较器
窗口 比较器
你能分别组成具有图 示电压传输特性的电压 比较器电路吗？
讨论四：求解图示各电路的电压传输特性。
图一：与P278的8.14的d图相似 图二：与P278的8.14的e图相似 课上讲解
解：图一：与 P278的8.14的d 图相似
UREF R N
uI R2 P
问题：过零比较器如图所示，
输入为正负对称的正弦波时， 输出波形是怎样的？
传输特性
uO +UOpp +UZ O uI
vI T 2 3 4
O
t
vO VOH O VOL t
-UZ -UOpp
将正弦波变为矩形波
2.一般单限比较器
uN
R2 R1 U REF uI R1 R2 R1 R2
一般比较器不可以采用，否则当两个输出电压产生冲突时， 会因输出回路电流国大造成器件损坏。
某型号集成比较器的等效电路
VCC
⑧ ③ ② ⑦ ③ ③ ⑦ ②



①
⑦
②

①
VEE
④
①
特点： 1. 无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平； 2. 可直接驱动集成数字电路； 3. 响应速度快； 4. 可具有选通端； 5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。
R1 UT U Z R1 R2
2）工作原理及电压传输特性 （1）设uI＜－UT，则 uN＜ uP， uO＝+UZ。此时uP＝ +UT，增 大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为－ UZ。
U OL U Z U OH U Z
（2）设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT， 减小 uI，直至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
U T
RF R2 U REF UZ R2 RF R2 RF
若uO=UZ，当uI逐渐减小时，使uO由UZ跳变为UZ所需的门 限电平UT-
U T
RF R2 U REF UZ R2 RF R2 RF
回差(门限宽度)UT ：
U T U T U T
2 R2 UZ R2 RF
（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.集成运放在比较器中的应用（非线性工作区）
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
集成运放工作在非线性区的特点 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
二、单限比较器
1.过零比较器
单限比较器的特点和应用
单限比较器的作用： 检测输入的模拟信号 是否达到某一给定电平。
缺点：抗干扰能力差。
解决办法： 采用具有滞回传输特 性的比较器。
存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形
[例8.2.1] 在图8.2.6所示电路中，UZ=±6V ，在图8.2.7中 所示电路中， R1= R2 =5kΩ ，基准电压UREF=2V ，稳压 管的稳定电压UZ=±5V ；它们的输入电压均为图8.2.8（a） 所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和 图8.2.7所示电路的输出电压u02
不可缺少！期限流作用
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ UZ UOL＝－ UD
UOH＝ － UOL＝ UZ
输出限幅电路
uO＝± UZ
（利用电压并联负反馈来实现）
（1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换
电压比较器的分析方法：
（1）写出 uP、uN的表达式，令uP＝ uN，求解出的 uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出 电压的跃变方向。
2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI)
电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL； （2）阈值电压UT； （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向，即是从 UOH跃变为UOL，还是从UOL跃变为UOH。
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 U UT1 UT2
令uN uP 0, 得
R2 U T U REF R1
UREF—参考电压或称 基准电压
U O U Z
作用于反相输入端
（1）若要UT< 0，则应如何修改电路？（改变参考电压的极性） （2）若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？（将同相输入端与反相端所接外电路互换） （3）若要改变UOL、UOH呢？ （改变输出端的限幅电路UZ的大小）
传输特性 UZ
uO
UT
O
UT+ UZ
uI
反相输入2
同相输入2
图8.2.16由LM119构成的双限比较器及 其电压传输特性
3)说明 （1）单电源供电时，负电源端-VS应接地。 （2）管脚8接逻辑电源，计作VLOgic，其值决定于负载所需高 电平；为了驱动TTL电路，迎接+5V。 （3）管脚5位锁存控制端，当它位低电平时，锁存输出信号。 （4）电路中电容均为耦合电容，用于滤去比较器输出产生变 化时电源电压的波动。图B中的510欧姆电阻是输出高电平时 得上拉电阻。 （5）集电极开路集成电压比较器LM119输出采用了“线与”。
当 uP=uN 时，输出电压的状态发 生跳变。
uO
+UZ UT+
RF R2 uP U REF uZ R2 RF R2 RF
比较器有两个不同的门限电平，故传输 特性呈滞回形状。
UT-
O
-UZ
uI
图 8.2.10
滞回比较器
若 uO=UZ，当uI 逐渐增大时，使 uO 由+UZ 跳变为 -UZ 所需的门 限电平UT+
U OM
五、集成比较器
1.集成电压比较器的主要特点和分类：
1)具有较高的开环差模增益； 2)具有较快的响应速度； 3)具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高； 4)具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。
分类： 单、双和四电压比较
通用型、高速型、低电压型和高精度型
普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型
R3
uO UZ
R1
状态翻转时，uP = uN = UREF
uI R1 U Z R2 即 U REF R1 R2
U T U Z R2 R1
8
若 UREF = 0
则 U T
uI R1 U Z R2 uP R1 R2
U Z R2 R1
U = UT+ UT
2U Z R2 R1
（1）UT＝0 （2）UOH＝＋ UOM， UOL＝－ UOM （3）uI > 0 时 uO ＝－UOM; uI < 0 时 uO ＝＋ UOM
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。