第7章2(71)简单电压比较器迟滞比较器窗口比较器解读

+
uo
ui

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
ui
+

+
UZ
uo
uo
Βιβλιοθήκη Baidu
+UZ
0
-UZ
忽略了正 向压降UF
ui
20
※
作用：a）使Uo∠0时的输出更接近0；b）DZ有存储 效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。
D
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 。
21
7.4.2 迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、 施密特触发器）
0 uO
0
t
t
利用电压比较器进行电平检测波形示意图
10
1．电压比较器的功能 功能: 比较两个电压的大小(用输出电压的高或低 电平，表示两个输入电压的大小关系); 用途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还 可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。
2．运放的工作状态 比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件 下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值， 即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输 入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论 仍然可用。
Z 反向比例
D
运算电路
RF 当 ui U Z 时，双向 R1 稳压管不通，运放工作在
RF
ui
R1
– +

线性状态。
A +
uo
RF 当 ui U Z 时，在双 R1 向稳压管的作用下，
RF u o ui R1
uo U Z 或 uo U Z
7
UZ
传输特性
uo
+UZ uo +UZ
-Uom
ui
34
加上参考电压后的迟滞比较器(上行) ：
上下门限电压
UR
R
ui
R1
－+ +
R2

R1 + R 2 uo U R1 U UR +H om +
U+L
当uo= -UOM
R2 R1 + R 2 R1 Uom+ UR R2 R2
R2
R2 R1 ui U om UR R1 + R 2 R1 + R 2
5．电压比较器的分析方法
按理想情况分析
若U-＞U+ 若U-＜U+ 则UO=-UOM； 则UO=+UOM。
理想 情况
uo
+UOM
实际 情况
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
Ui=U--U+ -UOM 电压比较器在输出状态 跳变过程中，运放可视为在 线性区工作。 14
发生跳变，必然发生在U-=U+ 的时刻。
当uo= +UOM
R2 ui R1 + R 2
令 R1 R1 Uom + U om 0 ui=U + L R 2 33 R1 + R 2
迟滞 比较器
上下门限电压
R
ui
R1
－+ +
R2

uo
U+H U+L
R1 Uom R2 R1 Uom R2
传输特性曲线
U+L
uo
Uom
U+H
0
虚断（运放输入端电流=0）
注意：此时不能用虚短！
注意：
uo +UOM 0 -UOM 称之为同相比较器
U+
+

+
U_
uo
uo +UOM
U+-U-
0 -UOM
U--U+
称之为反相比较器
15
一、非零电平比较器
若ui 从同相端输入 （同相电压比较器）
当ui > UR时 , uo = +Uom 当ui < UR时 , uo = -Uom
UT+
负向门限电平 UT-
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
30
干扰太大，滞回 功能会失效
uI
UT+ 负向门限电平 UT正向门限电平
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
31
迟滞 比较器
迟滞比较器(下行)两种电路传输特性的比较:
R
ui
U+
R1
－+ +
R2

uo
U+L
+Uom
uo ui
0
-Uom
U+H
uo ui
UR
当uo= +UOM
R2 ui R1 + R 2
R1 + U om UR R1 + R 2
35
加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：
uo
UR
R
ui
R1
－+ +
R2

uo
Uom
U+L U+H
0
-Uom Uom
ui
对照
R
uo
U+H
ui
R1
－+ +
R2

uo
U+L
0
-Uom
ui
36
注意：
为了正确画出电压传输特性， 必须求出以下三个要素：
7.4 集成运放的非线性应用
概述
7.4.1 简单电压比较器 7.4.2 迟滞比较器 7.4.3 窗口比较器
1
*复习
u- _
ui Ao + uo
uo
U OM uo max
+UOM
u+ +
ui
-UOM

线性放大区
Ao越大，运放的线性范围越小，输入大于 ,则输出uo要么 为+UOM，要么为-UOM。
电压 比较器
二、零电平比较器 : 当UR =0时
uo
ui
+

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
+

+
uo
ui
uo
+UOM 0
-UOM
18
ui
电压 比较器
例题： 利用电压比较器 将正弦波变为方波。 ui
+
ui
t

+
uo uo
+Uom
UR=0
uo
+UOM
0 -UOM ui -Uom
t
19
电压 比较器
用稳压管稳定输出电压
是否阈值？
U+=U-时所对应 的ui值就是阈值
27
迟滞 比较器
例题： 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
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
uo
传输特性
U+L U+H
10V
0
2V
ui
上下限：
U+H U+L
R1 R2 Uom + U R =10V R1 + R 2 R1 + R 2 R1 R2 Uom + U R =2V R1 + R 2 R1 + R 2
26
U+L
0
-Uom
ui
t
迟滞 比较器
加上参考电压后的迟滞比较器(下行) ：
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
+UOM
uo
传输特性
U+L U+H
0
-UOM
ui
上下限（用叠加定理）
U+H U+L
R1 R2 Uom + UR R1 + R 2 R1 + R 2 R1 R2 Uom + UR R1 + R 2 R1 + R 2
3、当uo负饱和时(uo =-UOM) ：
R1 Uom U+L U+ R +R
1 2
23
迟滞 比较器
ui
R
U+
R1
－+ +
R2

uo
R1 U +H U+ Uom R1 + R 2 U+L
设初始值: uo =+UOM , U+= U+H
设ui , 当ui = > U+H ,
R1 R2 R
－+ +

uo
U+L U+H
0
ui
32
迟滞 比较器
2.迟滞比较器(上行)（同相滞回比较器）
R
ui
R1
－+ +
R2

uo
uo
+UOM
0 -UOM
以前学习 的过零同 相比较器
U+-U-
当uo= -UOM
令 R2 R1 ui U om 0 ui= U + H R1 Uom R1 + R 2 R1 + R 2 R2
输出电压高电平UOH和低电平UOL的 数值； 阈值电压的数值UH（U+H、U+L）； 当ui 变化且经过UH时，uO跃变。跃 变的方向决定于同相比较器还是反相 比较器。
37
电压比较器是一种常见的模拟信号处理 电路，它将一个模拟输入电压与一个参 考电压进行比较，并将比较的结果输出。 比较器的输出只有两种可能的状态：高 电平或低电平，为数字量 ；而输入信号 是连续变化的模拟量，因此比较器可作 为模拟电路和数字电路的“接口”。
uo从+UOM -UOM 这时, uo =-UOM , U+= U+L
uo
+Uom
U+L
0
-Uom
U+H
ui
设ui , 当ui = < U+L, uo从-UOM +UOM
24
迟滞 比较器
传输特性 U+H上门限电压
uo
+Uom
U+L下门限电压
U+H - U+L称为回差
U+L
0
-Uom
U+H
ui UR
+

+
uo
uo
+Uom
UR为参考电压 (阈值电压： P285定义)
0
-Uom
UR
ui
16
电压 比较器
若ui从反相端输入 （反相电压比较器）
UR ui
+

+
当ui < UR时 , uo = +Uom
uo 当u > U 时 , u = -U om i R o uo
+Uom
-Uom
0
UR
ui
17
单限比较器的优缺点： uI
门限电平
单限比较器的优点是电路结 构简单，灵敏度高。但是，主要 0 缺点是抗干扰能力差。如果输入 电压因受干扰或噪声的影响，单 限比较器的输出端电压将会在高、uO 低两种电平之间频繁地反复跳变， 使电路不能稳定工作。波形示意 0 图如右所示：
t
+(UZ+ UD)
t
-(UZ+ UD)
[例2] 在左图（a）所示电路中，已知R1=50kΩ， R2=100kΩ，稳压管的稳定电压UZ=±9V，输入电压 uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波 形。
有正反馈, 双阈值
42
解：输出高电平和低电平分别为UZ=±9V，阈值电压
画出电压传输特性如图 （c）所示。根据电压 传输特性便可画出uo的 波形，如图（b）所示。 从波形可以看出，uI的 变化在±UT之间时，uo 不变，表现出一定的抗 干扰能力。两个阈值电 压的差值愈大，电路的 抗干扰能力愈强，但灵 敏度变差；因此应根据 具体需要确定差值的大 小。
28
迟滞 比较器
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
ui
10V
2V
t
uo
传输特性
uo
+UOM
+UOM
U+L 0 -UOM
2V
U+H
10V
t
ui
-UOM
29
滞回比较器的主要优点
uI
正向门限电平
滞回比较器可以组成 矩形波、锯齿波等非正弦 信号发生电路，也可以实 现波形变换。与单限比较 器相比，滞回比较器的主 要优点是抗干扰能力强。 波形示意图如右所示：
22
1.迟滞比较器(下行)
（反相滞回比较器 ）
ui
R
U+
R1
－+ +
R2

uo
1、因为有正反馈，所以输出饱 和。
2、当uo正饱和时(uo =+UOM) ：
R1 U+ Uom U + H R +R
1 2
特点:电路中使用正反馈 和uo相连，而uo有两个 值，所以对应的U+就有 两个值。故阈值电压就 有两个值。
ui
R1 Uom U+H R1 + R 2 R1 Uom U + L + R1 R 2
25
迟滞 比较器
:假设 例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。想想 开始时UO
ui
R
U+
R1
－+ +

uo
ui
U+H
U+L
为 – UOM
?
t
uo
+Uom
R2
假设开 始时UO 为UOM U+
H
uo
Uom -Uom
2
概述
运放的非线性应用
1. 电路中的运放处于非线性状态。
比如：运放开环应用
ui
+

A +
uo uo ui
运放开环、有正反馈时，处于非线性状态
3
2. 电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线 性元件（二极管、三极管、稳压管等）。
RF2 负反馈 RF1 D
ui
R1
-

A +
RF 1 uo ui R1 R // R F 1 F2 ui<0时： u u o i uo R1 D导通
RF
ui
R1
– +

A +
0
ui
8
UZ
ui
ui
R1 RF
–
+

t
u
o
A+
uo
由于稳压管被反向击 穿时，将引入一个深 度负反馈，此时集成 运放工作在线性区， 且其反相输入端“虚 地” 。
t
过零附近运放 仍处于线性区
9
7.4.1 简单电压比较器
电压比较器的主要作用是进行电平检测。
uI 参考电压 uR
处于非线性状态运放的特点：
1. 虚短路不成立。 2. ri仍可以认为很大。
3. rO=0。
5
例：限幅器
RF
R：限流电 阻。一般 取100 。
ui t
ui
R1
– +

A +
R
DZ
uo uo
UZ
DZ双向 稳压管
t
运放处于线性状态，但 外围电路有非线性元件—— 稳压二极管。
-UZ
6
*另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。
11
3．电压比较器的类型 常用的电压比较器有： 零电平比较器(过零比较器) 非零电平比较器(单限比较器) 迟滞比较器（滞回比较器） 窗口比较器(双限比较器) 简单比较器
12
4、电压比较器的性能指标
（1）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输入电 压称之为阈值电压或门限电平。 （2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。 （3）灵敏度：输出电压跳变的前后，输入电压之 差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高， 抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏 度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态 所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个 阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。 （4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称 之为响应时间。 13
uo
D截止 ui>0时：
传输特性
0
ui
4
3. 电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非 线性元件（二极管、三极管）。 由于处于线性与非线性状态的运放的 分析方法不同，所以分析电路前，首先确 定运放是否工作在线性区。 确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。
若有负反馈，则运放工作在线性区； 若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。
38
在如图所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压 UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V，输入电压为 如图所示的三角波，试画出输出电压。
[例1]
无正反馈, 单阈值
电压传输特性的趋势.UT 的具体值有待下面求得.
39
解： 令uN=uP=0，则求出阈值电压
所以画出输出波形如图所示：
40
1
41