第7章-电压比较器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,第七章 信号的非线性处理,1,电压比较器的主要作用是进行电平检测。,第一节 简单电压比较器,利用电压比较器进行电平检测波形示意图,t,u,I,0,u,O,0,t,u,R,参考电压,2,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。,1电压比较器的功能,3,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),3电压比较器的类型,简单比较器,4,（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。,4、电压比较器的性能指标,5,5电压比较器的分析方法,若,U,-,U,+,则,U,O,=-,U,OM,；,若,U,-,U,+,则,U,O,=+,U,OM,。,只有当U,-,=U,+,时，输出状态才发生跳变；反之，若输出发生跳变，必然发生在,U,-,=U,+,的时刻。,虚断（运放输入端电流=0）,注意：此时不能用虚短！,U,i,=U,-,-U,+,u,o,+U,OM,-U,OM,理想情况,实际情况,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。,按理想情况分析,6,+,+,u,o,u,i,U,R,u,o,u,i,0,+U,om,-U,om,U,R,当,u,i,U,R,时,u,o,=,-U,om,若,u,i,从反相端输入,电压,比较器,（,反相电压比较器）,9,u,REF,为参考电压，根据比较器在临界状态条件可求得电路的阈值电压。,图1：,图1,电压,比较器,10,图2：,图2,u,T,应用：电平显示器、逐次比较A/D等。,+U,oH,-U,oL,V,T,v,o,v,i,0,电压,比较器,11,u,o,u,i,0,+U,OM,-U,OM,+,+,u,o,u,i,:当U,R,=0时,+,+,u,o,u,i,u,o,u,i,0,+U,OM,-U,OM,电压,比较器,二、零电平比较器,12,+,+,u,o,u,i,t,u,i,t,u,o,+U,om,-U,om,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,问题：若,反相端不是接地，而是接参考电压,V,REF,，输出波形会有什么样的变化？,电压,比较器,13,+,+,u,i,u,o,u,i,0,+U,Z,-U,Z,u,o,U,Z,u,o,u,i,0,+U,OM,-U,OM,+,+,u,o,u,i,忽略了正向压降,U,F,电压,比较器,用稳压管稳定输出电压,14,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。,作用：,a）使Uo,0,时的输出更接近0；b）D,Z,有存储效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。,D,15,迟滞比较器（,滞回比较器、滞环比较器、施密特触发器,）,单限比较器的优点是电路结构简单，灵敏度高。但是，主要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、低两种电平之间频繁地反复跳变，使电路不能稳定工作。,波形示意图如右所示：,单限比较器的优缺点：,t,u,I,0,u,O,0,t,门限电平,+(U,Z,+U,D,),-(U,Z,+U,D,),16,一.迟滞比较器(下行),特点:电路中使用正反馈和u,o,相连，而u,o,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。,（反相迟滞比较器）,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,1.电路结构,17,2.阈值估算,临界跳变时：,根据叠加原理，有：,当u,o,负饱和时(u,o,=-U,OM,)：,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,u,R,迟滞,比较器,当u,o,正饱和时(u,o,=U,OM,)：,18,这时,设初始值:,迟滞,比较器,u,o,u,i,0,u,T1,u,T2,传输特性,+U,OM,-U,OM,3.电压传输特性,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,19,u,o,u,i,0,+U,om,-U,om,u,T1,u,T2,迟滞,比较器,传输特性,当 时，传输特性即为如图曲线；,特点：输出端,从高电平跳变到低电平,对应的阈值电压与,从低电平跳变到高电平,对应的阈值电压,不同,！,输入信号单方向变化时，只与一个阈值电压比较,20,t,u,i,u,T1,u,T2,t,u,o,U,om,-U,om,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,+,迟滞,比较器,例1:设输入为正弦波,画出输出的波形。,u,o,u,i,0,+U,om,-U,om,u,T1,u,T2,假设开始时U,O,为U,OM,想想:,假设开始时U,O,为 U,OM,?,21,R,1,=10k,，R,2,=20k,，U,OM,=12V，U,R,=9V当输入u,i,为如图所示的波形时，画 出输出u,o,的波形。,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,上下限：,=10V,=2V,迟滞,比较器,例2：,u,i,t,22,2V,10V,u,i,u,o,+U,OM,-U,OM,u,o,u,i,0,u,T1,u,T2,传输特性,+U,OM,-U,OM,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,迟滞,比较器,2V,10V,t,t,23,2.阈值估算,临界跳变时：,根据叠加原理，有：,当 正饱和时()：,迟滞,比较器,当 负饱和时()：,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,u,R,二.迟滞比较器(上行),（同相迟滞比较器）,1.电路结构,24,这时,设初始值:,迟滞,比较器,3.电压传输特性,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,u,R,U,T1,U,T2,u,o,u,i,0,U,oM,-U,oM,25,u,T1,u,T2,u,o,u,i,0,U,om,-U,om,传输特性曲线,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,上下门限电压,迟滞,比较器,当 时，传输特性即为如图曲线；,26,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,u,T1,u,T2,u,o,u,i,0,U,om,-U,om,迟滞比较器两种,电路结构,和,传输特性,的比较:,+,+,u,o,R,R,2,R,1,u,i,U,R,u,o,u,i,0,u,T1,u,T2,27,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：,t,u,I,0,u,O,0,t,正向门限电平,+U,Z,-U,Z,U,T-,U,T+,负向门限电平,滞回比较器的主要优点,28,t,u,I,0,u,O,0,t,正向门限电平,+U,Z,-U,Z,U,T-,U,T+,负向门限电平,干扰太大，滞回功能会失效,29,输出电压高电平,U,OH,和低电平,U,OL,的数值；,阈值电压的数值,U,H,（,U,+H,、,U,+L,）；,当,u,i,变化且经过,U,H,时，,u,O,跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。,为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：,注意：,30,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”,。,31,在如图所示电路中，R,1,=R,2,=5k，基准电压U,REF,=2V，稳压管的稳定电压U,Z,=5V，输入电压为如图所示的三角波，试画出输出电压。,例1,电压传输特性的趋势.U,T,的具体值有待下面求得.,无正反馈,单阈值,32,解：,令u,N,=u,P,=0，则求出阈值电压,所以画出输出波形如图所示：,33,1,34,在左图（a）所示电路中，已知R,1,=50k，,R,2,=100k，稳压管的稳定电压,U,Z,=9V，输入电压u,I,的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波形。,例2,有正反馈,双阈值,35,解：输出高电平和低电平分别为U,Z,=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u,o,的波形，如图（b）所示。从波形可以看出，u,I,的变化在U,T,之间时，u,o,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。,三要素法：,36,限幅电路概述及二极管钳位作用,1.限幅电路概述,限幅电路又叫钳位电路，特点是当输入大到一定范围后，输出不再随输入的增大而变化，而保持在某个固定值上。这种特性不仅用于信号的处理和运算中，也广泛用于过载保护中。限幅电路按是否带运放分为有源和无源两种。由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，所以带运放的有源限幅器可使信号源和负载之间有良好的隔离作用。但是由于受运放频率相应的限制，接入运放后，电路的工作频率变窄。,限幅电路,37,限幅器的主要技术指标是限幅门限值和限幅系数，结合下图来说明。,1.下限限幅门限值V,th,-,2.上限限幅门限值V,th,+,3.下限限幅电压V,L,4.上限限幅电压V,H,术语,5.限幅区;上、下限幅区,6.传输区,7.限幅系数K,LI,有两个限幅区，传输区夹在两个限幅区之间，具有这种传输特性的限幅器叫双向限幅器。只有一个传输区和一个限幅区的限幅器叫单向限幅器。若限幅区夹在两个传输区之间则称区间限幅器。,38,2.二极管的钳位作用,二极管钳位如下图所示，该电路为串联限幅。,单向限幅器,1.单运放二极管单向限幅器,二极管限幅器就是利用二极管单向导电性特性构成的，如下图，为并联限幅。,39,U,i,U,R,，,D,导通，限幅电压为：,40,由于,则上限限幅门限电压值V,th,+,为：,2.稳压管单向限幅器,稳压管单向限幅器如图所示。有,41,5.6.3,双向限幅器,1.单运放二极管双向限幅器,把二极管和电阻分压组合起来，并接在运放的反馈回路中，就组成了普通二极管双向限幅器。二极管双向限幅器电路及传输特性如图所示。由于输入信号U,i,变化时，二极管D,1,、D,2,有三种组合，从而电路输出形成三个区间。,42,1）传输区：,D,1,、D,2,截止，电路为反相比例放大电路。,等效电路如图(a)所示。,43,2）上限幅区：,U,i,正向增大，使D,1,导通、D,2,截止，电路 开始工作在上限幅区。等效电路如图(b)所示。,44,3）下限幅区：,U,i,负向变化时，使D,1,截止、D,2,导通，电路开始工作在下限幅区。等效电路如图(c)所示。,2.双运放二极管双向限幅器,双运放二极管双向限幅器的电路形式较多，详见相关资料。,45,3.单运放稳压管双向限幅器,单运放稳压管双向限幅器电路和传输特性如下图所示。,46,4.单运放稳压管桥式双向限幅器,单运放稳压管桥式双向限幅器电路和传输特性如图所示。二极管桥式电路和反馈电阻并接在运放的反馈电路中，可提高电路的限幅精度，改善正负限幅电压的对称性。,当输入电压为零时，加在桥路上的电源电压为+V,CC,，-V,EE,通过R,4,和R,5,使稳压管D,Z,导通，而D,1,D,4,均截止。设R,4,=R,5,=R，稳压管的稳压值为V,Z,，流过稳压管的电流为：,47,该电流即为起始电流。适当选取电流值，就不会使稳压管在工作过程中进入反向击穿待性的起始段，而永远工作在特性的陡直线段上，从而提高了限幅精度。,48,设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示，要求所用电阻值在20100k之间。,讨论题,3,解：根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，而且u,o,=U,Z,=6V，U,T1,=U,T2,=3V，电路没有外加基准电压，故电路如图（b）所示。求解阈值电压的表达式：,49,所以，若取R,1,为25k，则R,2,应取为50k；若取R,1,为50k，则R,2,应取为100k。,故,本题有无问题？问题在哪里？请改正之！,50,了解,双限比较器,（窗口比较器）,其中：U,A,U,B,R,U,A,A,1,D,1,R,U,B,A,2,D,2,u,I,u,O,R,L,R,R,u,O,0,u,I,U,B,U,A,下门限,上门限,单限比较器和滞回比较器在输入电压,单一方向变化,时，输出电压只跃变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给定电压,V,A、,V,B,之间，而窗口比较器具有这一功能。,其电路及传输特性曲线如右下图所示：,51,由图可知：,当u,I,U,B,注意:连接,高,低,通,止,下台阶,上台阶,U,OA2,U,OA1,52,当u,I,U,A,时：,A,1,的输出端为,高,电平，,A,2,的输出端为,低,电平，,则二极管D,1,导,通,，D,2,截,止,，输出电压u,O,也是高电平。,特性曲线如右图所示：,R,U,A,A,1,D,1,R,U,B,A,2,D,2,u,I,u,O,R,L,R,R,u,O,0,u,I,U,B,U,A,下门限,上门限,其中：U,A,U,B,双限比较器,工作原理,低,高,止,通,53,当U,B,u,I,U,B,双限比较器,工作原理,54,双限比较器及其传输特性动画,55,由两个简单比较器组成的窗口比较器,（a）电路图 （b）传输特性,注意:连接法,56,窗口比较器应用 ,三极管,值分选电路,用双电压比较器,LM393,设计一个,值分选电路，要求当被测三极管的,250,，,LED,不亮，表示不合格；当,150,250,，,LED,亮，表示合格。已知电源电压,Vcc=12V,，三极管集电极电阻,R,2,=2K,。,u,O,0,u,I,U,2,U,1,下门限,上门限,57,1、根据题意要求，设计与计算,R,b,的阻值，调节,W,1,使,R,b,回路总阻值等于设定值并连接好电路。,2、根据,R,b,取值和被测晶体管,值范围计算出U,c,的正常范围，按照,U,c,的变化范围在万用表帮助下调节,W,2,、W,3,到设定的上限U,REF1,与下限电压U,REF2,。,3、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断三极管是否处于放大状态，如不是放大状态则检查电路是否连接有误或,R,b,取值设计不当，,装入一些已知直流,值,的晶体三极管，验证电路工作情况。,58,单限比较器：,电路只有一个阈值电压，输入电压u,I,逐渐增大或减小过程中，当通过U,T,时，输出电压u,O,产生跃变，从高电平U,OH,跃变为低电平U,OL,，或者从U,OL,跃变为U,OH,。,滞回比较器：,电路有两个阈值电压，输入电压u,I,从小变大过程中使输出电压u,O,产生跃变的阈值电压U,T1,，不等于从大变小过程中使输出电压u,O,产生跃变的阈值电压U,T2,，电路具有滞回特性。,窗口比较器：,电路也有两个阈值电压，输入电压u,I,从小变大或从大变小过程中使输出电压u,O,产生两次跃变。,总 结,59,比较器在最常用的简单集成电路中排名第二，仅次于排名第一的运算放大器。在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论，关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常多，可是我们却很难找到关于比较器的理论研究，究其原因，比较器本身功能十分简单，只用于比较电压。,在开环或高增益配置中用运算放大器代替比较器是十分常见的，虽然最好是使用专门优化的比较器，但是用运算放大器代替比较器也是可的。运算放大器是一种为在负反馈条件下工作设计的电子器件，设计重点是保证这种配置的稳定性，压摆率和最大带宽等其它参数是放大器在功耗与架构之间的折衷选择；相反，比较器是为无负反馈的开环结构内工作设计的，这些器件通常不是通过内部补偿的，因此速度即传播延迟以及压摆率（上升和下降时间）在比较器上得到了最大化，总体增益通常也比较小。用运算放大器代替比较器不会使性能得到优化，而且功耗速度比将会很低。如果反过来，用比较器代替运算放大器，情况则会更坏。通常情况下比较器不能代替运算放大器，在负反馈条件下，比较器很可能会出现工作不稳定的情况。,总之，可以说，比较器和运算放大器是不能互换的，低性能设计除外,小资料,小资料,60,电源电压:,比较器与运算放大器工作在同样的电源电压，传统的比较器需要15V等双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，许多厂商也仍在提供该类产品。,市场发展趋势,:目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装，有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如,MAXIM,（美信）,公司,：MAX919比较器可工作在1.8V至5.5V电压范围内，全温范围内的最大吸入电流仅为1.2A，采用SOT23封装，类似的MAX965比较器工作电压可低至1.6V，因而非常适用于电池供电的便携式产品。,61,