模電課件第三章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關

1、第三章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關 本章重點介紹電壓比較器、弛張振蕩器，簡單介紹模擬開關。 3.1 電壓比較器 3.2 弛張振蕩器 3.3 單片集成專用電壓比較器 3.4 模擬開關 3.1 電 壓 比 較 器 電壓比較器廣泛用于“電壓比較”、“電平鑒定”、“波形整形”、“波形產生”、“脈沖調寬”、“判決電路”以及“模/數(shù)變換”等。一、電壓比較器的基本特性 電路特點：開環(huán)或者引入正反饋，總體放大器工作于“非線性”狀態(tài)，“虛短路”和“虛地”概念不適用。 輸出：比較器輸出只有兩個狀態(tài)， “1”或是“0” 。 功能：電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。電壓比

2、較器一般是開環(huán)工作，其增益很大。電壓比較器的符號及傳輸特性電壓比較器的符號電壓比較器的傳輸特性電壓比較器的輸入輸出關系：rioHrioLo uuuuuuu 電壓比較器的輸出要么為高電平“1”，要么為低電平“0”，因此電壓比較器可作為模/數(shù)轉換器。1、 高電平(UoH)和低電平(UoL)電壓比較器的性能指標 專用比較器的輸出電平：CCoHUuEEoLUuV 4 . 3oHuV 4 . 0oLu2、 鑒別靈敏度udAUuCCidmaxudAUuEEidmin3.轉換速度：比較器的輸出狀態(tài)產生轉換所需的時間 ) ,(idmaxidminiduuu ) ,(oHoLoUUu （不靈敏區(qū)） 一般要求轉換

3、時間盡可能短，以便實現(xiàn)高速比較。轉換速度與器件壓擺率SR有關， SR越大，輸出狀態(tài)轉換所需的時間就越短，比較器的轉換速度越高。二、電壓比較器的開環(huán)應用簡單比較器 這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。 1. 過零比較器 若參考信號ur為三角波，而輸入信號ui為緩變信號，如經傳感器變換的溫度、壓力等信號，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化，從而實現(xiàn)脈寬調制。 2. 脈寬調制器例3.1.1 電路和輸入信號如圖，試分別畫出uo1和uo2的波形。解：隔直 存在問題：三、遲滯比較器正反饋比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1、簡單比較器應用中存在的問題 tur

4、t00干擾錯誤跳變uouit0uo一是壓擺率的限制，導致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭二是抗干擾能力差 2、遲滯比較器電路及傳輸特性1) 反相輸入的遲滯比較器在簡單比較器中引入正反饋，構成所謂“遲滯比較器”。+-R1R2RuiufuoA電源供電電壓UCC 和 -UEE0iuCCoHoUUuCC211oH2111f1rURRRURRRUU0ou 當ui由負逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時，輸出由高電平轉換為低電平。稱uo 從高到低所對應的 ui 轉換電平為上門限電平UTHCC211oH2111rTHURRRURRRUU 由于參考電位的變化，若輸入一直為正，則輸出不再發(fā)生變化，只有當輸入比參考電位更負

5、，輸出才發(fā)生跳變，由低電平變?yōu)楦唠娖?。此時對應的參考電位為下門限電平UTL。EE211r2TLURRRUU此后 ui 繼續(xù)增大， uo 一直維持在低電平。此時參考電壓為： EE211oL2111fr2URRRURRRUU綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性如圖rHUiuou0ouiurLU0oLUoHUrHUiuou0rLU+CC211TLTH2URRRUUU回差電壓：U2) 同相輸入的遲滯比較器0iuEEoLoUUu0o211i212URRRURRR0ou同相輸入遲滯比較器電路如圖R2+-R1uiuoA 當 ui 極性變正且同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態(tài)才可能由負UOL 向正UOH 發(fā)生跳變

6、。即：0o211TH212URRRURRREE21OL21THURRURRU同理：CC21OH21TLURRURRUoLUoHUrHUiuou0rLU同相輸入遲滯比較器傳輸特性1、具有很強的抗干擾能力2、正反饋加速了狀態(tài)轉換，改善了輸出波形的邊緣 遲滯比較器的特點：3、具有兩個狀態(tài)，且具有記憶功能遲滯比較器又稱為施密特觸發(fā)器或者雙穩(wěn)態(tài)電路。例3.1.2 電路如圖(a)，輸入波形如圖(b)，試畫出uo1和uo2的波形。R2+-R1uiuo1A1+-A23 k10 k10 k1 k5 kuo2-12V-12V12V12Vui1.6V-1.6Vt0解：ui1.6V-1.6Vt01、電路組態(tài)分析A1組

7、成反相比例放大器tuusin85io16V10k10k10kCCTHUU6V10k10k10kEETLUUA2組成反相輸入遲滯比較器uo18V-8Vt0UTH=6VUTL=-6Vt0uo23.2 弛 張 振 蕩 器 弛張振蕩器是方波-三角波產生器，對于方波信號，其狀態(tài)有時維持不變，有時發(fā)生突跳。為區(qū)別正弦振蕩器而稱之為弛張振蕩器。 電路特點：正反饋電路，由兩部分組成：一部分為狀態(tài)記憶電路，一部分為定時電路，用來控制狀態(tài)轉換的時間。狀態(tài)記憶單元定時單元弛張振蕩器框圖一、單運放弛張振蕩器單運放將狀態(tài)記憶電路和定時電路集中在一起，如圖所示R+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R

8、1UoHR2+R2R1UoLR2+R2R1UoHUoLTT/2T1T2uo(t)uc(t)tt2t1uc(t)0單運放弛張振蕩器及其波形單運放弛張振蕩器特性分析CC212oH212oHURRRURRRUFU正 假定輸出為高電平，且電容出示電壓為 uc(0)=0，則電容按指數(shù)規(guī)律充電，并趨向UoH，此時U+為： 當uC上升到該電平值時，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉，即由高電平跳變到低電平UoL。此時的U+記為高門限電壓UTH：比較器參考電壓oH212oHTHURRRUFU正 由高電平跳變到低電平UoL時，電容開始放電，并反向充電，并趨向UOL，此時參考電壓為：EE212oLURRRUFU正

9、TLU定義CCoLoHopp2UUUU 當電容電壓 uc(t)下降到UTL時，輸出從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。周而復始，運放輸出為方波，其峰峰值為： 由于RC不是理想的積分器，因此電容電壓uC上近似為三角波，其峰峰值為：CC212TLTHCpp2URRRUUU 由于電容充放電時間常數(shù)都為T=RC，因此T1=T2，占空比為D=T2/T1=50%。分析計算振蕩頻率 f 0THoHTLoHUUUUTln2當 t=T1 時，發(fā)生轉換：其中： 根據(jù)三要素法，電容電壓為：teUUUtu )0()()()(CCCcCCUUUoHC)(oL212TLC)0(URRRUURCoH212TH1c)(URRRUTu從而振

10、蕩頻率為：122021ln21211RRRCTTf12V|CCoLoHomUUUU 例3.2.1 電路如圖，設C=0.1F，R=50k，R1=R2=10k，UCC=|UEE|=12V,試求uo(t)和uc(t)的波形幅度和頻率。解：91Hz21ln21120RRRCfR+-uCA1uoUCC-UEE=R1R2CUoHR2+R2R13)振蕩頻率為：1） uo(t)為方波，其幅值為：2） uc(t)近似為三角波，其幅值為：6V12V10k10k10k|oH212CLCHURRRUU二、雙運放構成的弛張振蕩器雙運放方波-三角波振蕩器電路特點：A1構成同相輸入的遲滯比較器， A2為理想積分器理想積分器

11、保證電容恒流充放電，因而三角波線性很好。電路工作原理： A1 輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成線性度很好的三角波，三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉換，周而復始形成振蕩。UoLuo1t0T1T2UoHuo2t0雙運放方波三角波振蕩器的輸出波形Uo2mUo2mUoLuo1t0T1T2UoHuo2t0Uo2mUo2m0o2212oH211UURRRURRRU uo2為三角波，當uo1為高電平時，C充電電流為ic=UoH/R， uo2隨時間線性下降。A1反相端接地，當U+過零時，A1輸出狀態(tài)發(fā)生變化，a) uo1的幅度 1）uo1 和 uo2 的幅度計算EEOLCCOHo1UUUU

12、u，低電平的高電平CCo1PP2UU故CC21oH21o2mo2URRURRUU0o2212oL211UURRRURRRU 當uo1為低電平時，C反充電，充電電流為ic=UoH/R， uo2隨時間線性上升。當U+再次過零時，有： b）uo2 的幅度故EE21oL21o2mo2URRURRUU因此 CC21o2pp2URRU當R1 R2時，三角波的幅度將超過方波的幅度。 CC21C2URRU 在T1時間間隔內，電容C的電壓增量為： 2）頻率 fo 的計算1 CC CC21C112TRUCdtiCCQURRUC2112RRCRT12104211RCRRTTf結論：通過改變分壓比可以改變恒流充放電電流，從而可以微調振蕩頻率。3.3 單片集成專用電壓比較器 運放作為電壓比較器存在問題：響應速度慢，轉換時間和延遲時間太長。 專用單片集成電壓比較器的響應速度非常快，其轉換時間僅為1-3ns。 專用單片集成電壓比較器可以作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路，輸出電平與TTL、CMOS或ECL兼容， 專用單片集成電壓比較器有單比較器、雙比較器和四比較器。3.4 模 擬 開 關 模擬開關是電子系統(tǒng)中常用的基本單元，主要控制信號的通斷。 理想模擬開關的特性是：接通時相當于斷路，關斷時相當于開路，工作速度快，開關間的隔離度好。 模擬開關可以有雙極性晶體管組成，也可以由MOS場效應管組成。 C