第3章電壓比較器

1、第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)第第3章章 電壓比較器電壓比較器、馳張振蕩器馳張振蕩器 及模擬開關(guān)及模擬開關(guān) 電壓比較器電壓比較器 馳張振蕩器馳張振蕩器 模擬開關(guān)模擬開關(guān)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān) 電壓比較器的功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，并根電壓比較器的功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高、低兩個(gè)電平。據(jù)比較結(jié)果輸出高、低兩個(gè)電平。3.1 電壓比較器電壓比較器 電壓電壓比較器有專用的集成芯片可供使用，也可用集成運(yùn)放比較器有專用的集成芯片可供使用，也可用集成運(yùn)放組成。組成。用作比較器的運(yùn)放將用作比較器的運(yùn)放將工作在開環(huán)或正反饋的非線性工作在開環(huán)或

2、正反饋的非線性狀態(tài)。狀態(tài)。 在信號(hào)變換在信號(hào)變換、檢測(cè)、檢測(cè)和波形產(chǎn)生電路中有廣泛應(yīng)用。和波形產(chǎn)生電路中有廣泛應(yīng)用。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器的基本特性電壓比較器的基本特性 1). 輸出高電平輸出高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL) 用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其輸出的高電平用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其輸出的高電平UoH和低電平和低電平UoL可分別接近于正電源電壓可分別接近于正電源電壓(UCC)和負(fù)電源電壓和負(fù)電源電壓(-UCC)。電壓比較器的電路符號(hào)電壓比較器的電路符號(hào)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān) 理想的電壓比較器，在理想的電壓比較器，在高、低電平轉(zhuǎn)換的門限高、低

3、電平轉(zhuǎn)換的門限UT處處具有階躍的傳輸特性。具有階躍的傳輸特性。 實(shí)際運(yùn)放的實(shí)際運(yùn)放的Aud不為無窮大。在不為無窮大。在UT附近存在著一個(gè)比附近存在著一個(gè)比較的不靈敏區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)輸出既非較的不靈敏區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)輸出既非UoH，也非，也非UoL，故，故無法對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別無法對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別。2). 鑒別靈敏度鑒別靈敏度udA 要求運(yùn)放：要求運(yùn)放： 顯然，顯然，Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，稱比較器越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，稱比較器的鑒別靈敏度越高。的鑒別靈敏度越高。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 3).轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 比較器輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所需要的

4、時(shí)間。比較器輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。 通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。為此可對(duì)比較器施加正反饋，以提高轉(zhuǎn)換速度。為此可對(duì)比較器施加正反饋，以提高轉(zhuǎn)換速度。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)非線性應(yīng)用的條件：非線性應(yīng)用的條件：運(yùn)放開環(huán)或施加正反饋。運(yùn)放開環(huán)或施加正反饋。理想集成運(yùn)放非線性應(yīng)用時(shí)的特點(diǎn)理想集成運(yùn)放非線性應(yīng)用時(shí)的特點(diǎn)非線性應(yīng)用特點(diǎn)：非線性應(yīng)用特點(diǎn)：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU 此時(shí)，兩輸入端此時(shí)，兩輸入端“虛短路虛短路”的概念不再適用。的概念不再適用。 i-i+第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開

5、關(guān) 1.) 反相電壓比較器反相電壓比較器 電路如圖所示，電路如圖所示， 輸入信號(hào)輸入信號(hào)ui加在加在反相端，參考電壓反相端，參考電壓ur 加在同相端。加在同相端。 1. 1. 簡(jiǎn)單電壓比較器簡(jiǎn)單電壓比較器 ui ur ， uo=UOL 傳輸特性傳輸特性 uo= f ( ui )當(dāng)該電路的參考電壓為零時(shí)，則為反相過零比較器。當(dāng)該電路的參考電壓為零時(shí)，則為反相過零比較器。 0UoH第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2). 同相電壓比較器同相電壓比較器 ui ur ， uo=UOH傳輸特性傳輸特性 uo= f ( ui )當(dāng)參考電壓為零時(shí)，則為同相過零比較器。當(dāng)參考電壓為零時(shí)，則為同相過零比較

6、器。 電路如圖所示，電路如圖所示， 輸入輸入 信號(hào)信號(hào)ui加在同相端，參考加在同相端，參考 電壓電壓ur 加在反相端。加在反相端。 0第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)例例1. 若若 ui=5sint V ur =2V, UCC =12V。 試畫出反相和同相比試畫出反相和同相比較器的輸出波形。較器的輸出波形。反相比較器反相比較器同相比較器同相比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān) 例例2.將不規(guī)則的輸入波將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。形整形成規(guī)則的矩形波。 例例3.若若ur為三角波，而為三角波，而ui為緩為緩變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。 反相比較器反相比較

7、器反相過零比較器反相過零比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān) 0UoH 反相電壓比較器反相電壓比較器同相電壓比較器同相電壓比較器 0 簡(jiǎn)單電壓比較器小結(jié)簡(jiǎn)單電壓比較器小結(jié)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)簡(jiǎn)單比較器應(yīng)用中存在的問題簡(jiǎn)單比較器應(yīng)用中存在的問題 . 輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受運(yùn)放的限制，使高頻脈沖的邊緣輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受運(yùn)放的限制，使高頻脈沖的邊緣不夠陡峭；不夠陡峭；. 抗干擾能力差。在比較門限處，輸出將產(chǎn)生多次跳變?？垢蓴_能力差。在比較門限處，輸出將產(chǎn)生多次跳變。2. 2. 遲滯比較器遲滯比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)解決方法：在比

8、較器中引入解決方法：在比較器中引入正反饋正反饋，構(gòu)成，構(gòu)成 “遲滯比較器遲滯比較器”。有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，由于有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，改善輸出波形的邊緣。改善輸出波形的邊緣。1).1).反相遲滯比較器反相遲滯比較器 反相遲滯比較器電路如反相遲滯比較器電路如圖所示。圖所示。 R1和和R2將輸出電壓將輸出電壓uo反饋到運(yùn)放的同相端，構(gòu)反饋到運(yùn)放的同相端，構(gòu)成正反饋。為簡(jiǎn)單計(jì)，成正反饋。為簡(jiǎn)單計(jì)，R1端端所接的參考電平為地電位。所接的參考電平為地電位。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)112foHRUUURR當(dāng)輸出一旦變?yōu)榈碗娖剑瑒t同相端也

9、同時(shí)跳變?yōu)楫?dāng)輸出一旦變?yōu)榈碗娖剑瑒t同相端也同時(shí)跳變?yōu)楫?dāng)當(dāng)ui很負(fù)使很負(fù)使u 以后，以后，uo將維持在低電平。將維持在低電平。UUU第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)112oLRUUURR反之，反之，ui由大逐漸變小時(shí)，由于同相端電位變?yōu)橛纱笾饾u變小時(shí)，由于同相端電位變?yōu)?因而因而ui必須小到必須小到 時(shí)，輸出才由低電平跳變?yōu)楦唠娖健r(shí)，輸出才由低電平跳變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)的輸入電壓稱為此時(shí)的輸入電壓稱為下門限電壓下門限電壓，記為，記為UTL。 UTL= UU電壓的傳輸特性電壓的傳輸特性曲線如圖所示：曲線如圖所示： UTHUTL112THoHRUURR112TLoLRUURR第三章 電壓比較器

10、、張馳振蕩器及模擬開關(guān) 由于其傳輸特性很像磁由于其傳輸特性很像磁性材料的磁滯回線，性材料的磁滯回線，111212()2THTLoHoLCCRRUUUUUURRRR 遲滯比較器的上、下門限電遲滯比較器的上、下門限電壓之差稱之為壓之差稱之為回差回差，用，用U表示。表示。 回差回差U的大小，將決定比較器的抗干擾能力，的大小，將決定比較器的抗干擾能力， U越越大，則抗干擾能力越強(qiáng)，同時(shí)比較器的鑒別靈敏度降低大，則抗干擾能力越強(qiáng)，同時(shí)比較器的鑒別靈敏度降低。因?yàn)檩斎腚妷阂驗(yàn)檩斎腚妷簎i的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。不可能轉(zhuǎn)換。第三章 電壓比較器、張馳

11、振蕩器及模擬開關(guān)例例4. 若若 ui=5sint V ， R1 =10k， R2 =50k ，UCC =12V。 試畫出反相試畫出反相遲滯遲滯比較器的輸出波形。比較器的輸出波形。1012210 50THUV10( 12)210 50TLUV 解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)有干擾下的遲滯比較器輸出波形有干擾下的遲滯比較器輸出波形第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2）. 同相遲滯比較器同相遲滯比較器電路如圖所示，電路如圖所示， 當(dāng)當(dāng)ui很負(fù)，使很負(fù)，使u+ u=0 時(shí)，時(shí)，uo為低電平為低電平UoL。 此時(shí)，同相端電位此時(shí)，同相端電位u u+ +為為211212ioLRRUuU

12、RRRR 當(dāng)當(dāng)ui由負(fù)增大到使由負(fù)增大到使U+=0時(shí)，輸出將由低電平跳變?yōu)闀r(shí)，輸出將由低電平跳變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)的高電平。此時(shí)的ui即為即為上門限電壓上門限電壓UTH。輸出一旦變?yōu)楦唠娖剑瑒t同相端也同時(shí)跳變?yōu)檩敵鲆坏┳優(yōu)楦唠娖?，則同相端也同時(shí)跳變?yōu)?012THoLRUUR 由上式解得由上式解得第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)211212ioHRRUuURRRR 反之，反之，ui由正減小到使由正減小到使 時(shí)，輸出將由高電平跳變時(shí)，輸出將由高電平跳變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)的為低電平。此時(shí)的ui即為即為下門限電壓下門限電壓UTL。0U 傳輸特性如圖所示。傳輸特性如圖所示。=012TLoHRUUR 由上

13、式解得由上式解得12THoLRUUR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)例例5. 若若 ui=5sint V ， R1 =10k， R2 =60k ，UCC =12V。 試畫出反相試畫出反相遲滯遲滯比較器的輸出波形。比較器的輸出波形。10( 12)260THOLUUV 12RR10(12)260TLUV解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)振蕩器（又稱波形產(chǎn)生器）振蕩器（又稱波形產(chǎn)生器）是一種沒有輸入信號(hào)，在加是一種沒有輸入信號(hào)，在加電之后能自動(dòng)產(chǎn)生一定形狀、一定幅度和一定頻率波形電之后能自動(dòng)產(chǎn)生一定形狀、一定幅度和一定頻率波形的電路的電路。根據(jù)產(chǎn)生波形的形狀不同，振蕩器可分為。根據(jù)

14、產(chǎn)生波形的形狀不同，振蕩器可分為后者主要產(chǎn)生方波、三角波和鋸齒波等非正弦波。弛張后者主要產(chǎn)生方波、三角波和鋸齒波等非正弦波。弛張振蕩電路的類型非常多，本節(jié)只討論用集成運(yùn)放構(gòu)成的振蕩電路的類型非常多，本節(jié)只討論用集成運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩電路。弛張振蕩電路。3.2 弛張振蕩器弛張振蕩器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)1. 方波振蕩器方波振蕩器 方波振蕩器是由運(yùn)放構(gòu)成反相遲滯比較器，再加一條方波振蕩器是由運(yùn)放構(gòu)成反相遲滯比較器，再加一條RC充放電支路構(gòu)成。充放電支路構(gòu)成。212TLoLoLoHRUUUURR-212THoHRUURR反相遲滯比較器的傳輸特性及其上、下門限分別為：反相遲滯比較器的

15、傳輸特性及其上、下門限分別為：第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)UoHUoL1）. 電路振蕩原理電路振蕩原理 加電后若加電后若uo=UoH，UoH通過通過R向向C充電，充電，ui增大增大，達(dá)達(dá)到到UTH時(shí)，時(shí)，uo跳變?yōu)榈碗娖?。跳變?yōu)榈碗娖健?uo=UoL后，后，C反向充電，反向充電，ui減小減小，降到降到UTL時(shí)，時(shí)，uo又又跳變?yōu)楦唠娖教優(yōu)楦唠娖酱撕笾貜?fù)以上過程，周而復(fù)始產(chǎn)生振蕩。此后重復(fù)以上過程，周而復(fù)始產(chǎn)生振蕩。+第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2）振蕩器電路中電容器端和輸出的電壓波形）振蕩器電路中電容器端和輸出的電壓波形212TLoLRUURR212THoHRUURR

16、第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)11( )(0 )ln( )()CCCCuuTuuT 121ln2ln(1)oHTLoHTHUUTUURRCR首先計(jì)算周期首先計(jì)算周期T。T=T1+T2， T1=T2，T=2T1。根據(jù)三要素法：。根據(jù)三要素法：0121111222ln(1)fRTTRCR則振蕩頻率則振蕩頻率21221120()CTLoLCoHCTHoHRUUURRUURuTUURRRC（ ）（）其中：其中：3）計(jì)算振蕩頻率）計(jì)算振蕩頻率f0第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2112ln(1)RTRCR0121111222ln(1)fRTTRCR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開

17、關(guān)062131122 10250.1 10ln(1)2ln(1)1011825 10ln3fRRCRHz3210例例1. 已知已知 R1 =R2 =10k， R =25k，C =0.1F。 試求輸出方波的頻率試求輸出方波的頻率fo。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)相位相反相位相反2. 2. 三角波三角波- -方波振蕩器方波振蕩器電路組成原理電路組成原理替換替換第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)1). 反相比較器構(gòu)成的電路反相比較器構(gòu)成的電路ui相位相同相位相同uo1第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2 2）. . 同相比較器電路構(gòu)成的電路同相比較器電路構(gòu)成的電路ui第三章

18、電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)12THoLRUUR 12TLoHRUUR 3）. 振蕩頻率振蕩頻率f0的確定的確定122THTLCoHRUUUUUR 122022121124R RCRTfRTTR RCoHCUiR1222TTTT 在在T2時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，uC的變化量的變化量2201ToHCCUUi dtTCRCoLoHUU 122oHRUR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)例例2. 已知已知 UCC=12V，R1 =10k，R2=20k，R =50k， C =0.01F。 試求輸出試求輸出uo1和和uo2波形的幅度和頻率。波形的幅度和頻率。3203361120 10100044 10

19、 1050 100.01 10RfHzTR RC112o moHCCUUUV112221012620o moHCCRRUUUVRR解：解：第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)3.3 單片集成專用電壓比較器單片集成專用電壓比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)單片集成專用電壓比較器單片集成專用電壓比較器1. 通用低速型通用低速型(LM311/211/111)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)2.通用型通用型/中速型中速型(LM119)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)3. 高精度高精度/低失調(diào)低失調(diào)/低功耗低功耗(LM339/239/139)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器

20、及模擬開關(guān)4. 高速高速/低功耗低功耗(MAX901903)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)例例. 電壓比較器電壓比較器LM311構(gòu)成的整形電路如圖示。構(gòu)成的整形電路如圖示。LM311電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns。若分別輸入頻率為。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=2MHz，fi3=5MHz的正弦信號(hào)，試問輸出波形將有何的正弦信號(hào)，試問輸出波形將有何變化。變化。 fi3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關(guān)3.4 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 浮地模擬開關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，浮地模擬開關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來控制信號(hào)