第三章__电压比较器、弛张振荡器及模拟开关.ppt

,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.1,电压比较器,3.1.1,电压比较器的基本特性,电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。,高电平相当于数字电路中的逻辑“,1”,，低电平相当于逻辑“,0”,。,比较器输出只有两个状态，不论是“,1”,或是“,0”,，比较器都工作在非线性状态。,注意：,在运算电路中所使用的“虚地”概念在非线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用。,图,3.1.1,电压比较器的符号及传输特性,1.,高电平,(,U,oH,),和低电平,(,U,oL,),电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平,U,oH,可接近于正电源电压,(,U,CC,),，,低电平,U,oL,可接近于负电源电压,(-,U,EE,),。,专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即,U,oH,3.4V,左右，,U,oL,0.4V,左右。,2.,鉴别灵敏度,在实际电路中，集成运放和专用比较器芯片的,A,ud,不为无穷大，,u,i,在,u,r,附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图,3.1.1(b),中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非,U,oH,，,也非,U,oL,，,故无法实现对输入电平大小进行判别。,A,ud,越大，则这个不灵敏区就越小，,工程上称比较器的鉴别灵敏度越高。,3.,转换速度,转换速度是比较器的另一个重要特性，即比较器的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。,比较器的转换速度与器件压摆率,SR,有关，,SR,越大，输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度越高。,3.1.2,电压比较器的开环应用,简单比较器,1.,过零比较器,令参考电平,u,r,=0,。,若,Ui,0,，,u,o,=,U,oL,若,Ui,0,，,u,o,=,U,oH,这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入,波形整形成规则的矩形波。,问题：若参考电平,u,r,0,。,而是接参考电压,U,REF,，输出波形会有什么样的变化？,图,3.1.2,过零比较器及脉宽调制器输出波形,(a),过零比较器整形波形；,(b),脉宽调制器输出波形,【,例,3.1.1,】,电路及输入信号波形 分别如图,3.1.3(a),、,(b),所示，其中,C,为交流耦合电容，试分别画出 和 的波形图。,3.1.3,迟滞比较器,正反馈比较器,双稳态触发器,1.,简单比较器应用中存在的问题,一是输出电压转换时间受比较器翻转速度（压摆率,SR,）的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭,(,如图,3.1.5(a),所示,),；,二是抗干扰能力差，如图,3.1.5(b),所示，若,u,i,在参考电压,u,r,(=0),附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，直至,u,i,远离,u,r,值,才稳定下来。如,果对受干扰的,u,o,波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。,图,3.1.5,简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况,(a),输出波形边缘不陡峭,(b),受干扰情况,2.,迟滞比较器电路及传输特性,为了解决以上两个问题，,可将比较器设置两个阈值，只要干扰信号不超过这两个阈值，比较器就不会跳变，从而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来的电压比较器称为迟滞比较器，或称施密特触发器。电路是在简单比较器基础上增加了正反馈电路实现的。,正反馈也加快了翻转速度。,1),反向输入的迟滞比较器,R,2,将,u,o,反馈到运放的同相端与,R,1,一起构成正反馈，其正反馈系数,F,为,上门限电压,下门限电压,该电路传输特性分析：,因为信号加在运放反相端，所以,u,i,为负时，,u,o,必为正，且等于高电平,U,oH,=,U,CC,。此时，同相端电压,(,U,+,),为参考电平,U,r1,:,(3.1.2),当,u,i,由负逐渐向正变化，且,u,i,=,U,f,=,U,r1,时，输出将由高电平转换为低电平。我们称,u,o,从高到低所对应的,u,i,转换电平为上门限电压，记为,U,TH,。即,(3.1.3),而后，,u,i,再增大，,u,o,将维持在低电平。注意此时比较器的参考电压,U,r,也,将发生变化，即,(3.1.4),可见，当,u,i,由正变负的比较电平将是,U,r2,(,负值,),，故只有当,u,i,变得,比,U,r2,更负时，,u,o,才又从低变高。所以，称,U,r2,为下门限电压，记为,U,TL,，即,(3.1.5),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,！,综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图,3.1.6(b),所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，因此称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上、下门限之差称之为,回差，用,U,表示：,(3.1.6),正是由于回差的存在，才提高了比较器的抗干扰能力。,如图,3.1.7,所示。由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平上，当,u,i,上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差,U,，,则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。,应该指出，回差,U,的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。输入电压,u,i,的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。,图,3.1.7,迟滞比较器输出波形,2),同相输入迟滞比较器,电路如图,3.1.8(a),所示，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地,(,U,-,=0),。,只有当同相端电压,U,+,=,U,-,=0,时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与,u,i,在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上门限电压和下门限电压分别为,(3.1.7),(3.1.8),其传输特性如图,3.1.8(b),所示。,迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态，且具有记忆功能。,图,3.1.8,同相输入迟滞比较器及其传输特性,(a),电路；,(b),传输特性曲线,【,例,3.1.2,】,电路如图,3.1.9(a),所示，输入电压,u,i,的波形如图,3.1.9(b),所示，试画出,u,o1,、,u,o2,的波形图。,图,3.1.9,电路图与波形图,解：,A,1,为反相比例放大器，,A,2,为反相输入迟滞比较器，传输特性如图,3.1.10(a),、,(b),所示。,波形如图,3.1.9(c),所示。,波形如图,3.1.9(d),所示。,图,3.1.10 A,1,、,A,2,传输特性,3.2,弛张振荡器,弛张振荡器即方波,三角波产生器。对于方波信号发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳。为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发生器称之为弛张振荡,器。,弛张振荡器必须是一个正反馈电路，它由两部分组成：一部分是状态记忆电路,;,另一部分是定时电路，即控制状态转换时间的电路。如图,3.2.1,所示，一般用迟滞比较,器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。,图,3.2.1,弛张振荡器框图,3.2.1,单运放弛张振荡器,单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如图,3.2.2(a),所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器，,RC,构成积分器即定时电路。其波形如图,3.2.2(b),所示。,图,3.2.2,单运放弛张振荡器电路及波形,假定输出为高电平,(,U,oH,),，,且电容初始电压,u,C(0),=0,，,那么电容被充电，,u,C(t,),以指数规律上升，并趋向,U,oH,。,此时，运放同相端电压,U,+,为,(3.2.1),该电压为比较器的参考电平。当,u,C,上升到该电平值时，即,U,-,=,U,+,，,则输出状态要发生翻转，即由高电平跳变到低电平,U,oL,。,我们将此时的,U,+,记为高门限电压,U,TH,：,(3.2.2),一旦,U,o,变为低电平，电容开始放电，后又反充电，,u,C,以指数规律下降，并趋向,U,oL,。,但是，因为此时的,U,+,变为另一个参考电平,(,下门限电压,),当,u,C,下降到,U,TL,时，输出又从低电平跳变到高电,平。周而复始，,运放输出为方波，其峰峰值为,(3.2.3),(3.2.4),电容电压,u,C,(,t,),为近似的三角波，其峰峰值为,(3.2.5),因为电容充电和放电时常数均等于,RC,，,所以,T,1,=,T,2,，,占空比,D,=,T,2,/,T,=50%,。,现在来计算振荡频率,f,0,。,首先计算时间,T,1,。,如图,3.2.2(b),所示，根据三要素法，电容电压,u,C,(,t,),为,(3.2.6),(3.2.7),将式,(3.2.6),代入式,(3.2.7),，得,改变时常数,RC,及正反馈系数，比值均可改变振荡频率。,(3.2.8),3.2.2,双运放构成的弛张振荡器,如图,3.2.3,所示，运放,A,1,构成同相输入的迟滞比较器，,A,2,为理想积分器。,A,1,输出为方波，该方波通过电阻,R,给电容,C,恒流充放电，形成三角波，反过来三角波又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡，其,波形如图,3.2.4,所示。,图,3.2.3,双运放方波,三角波振荡器,图,3.2.4,双运放方波,三角波振荡器输出波形,1.,u,o1,和,u,o2,幅度的计算,1),u,o1,的幅度,由图可见，,u,o1,的高电平,U,oH,=,U,CC,，低电平,U,oL,=-,U,EE,，所以其峰峰值为,(3.2.9),u,o2,为三角波。当,u,o1,为高电平时，,C,充电，充电电流,(,为电位器,R,W,的分压比,),，,u,o2,随时间线性下降。再看,A,1,，,其反相端接地，当,U,+,过零时，,A,1,输出状态翻转，而,U,+,等于,u,o1,和,u,o2,的叠加，即,2),u,o2,的幅度,同理，当,u,o2,为低电平时，,C,反充电，充电电流,，,u,o2,随时间线性上升，当,U,+,再次过零时，算出,(3.2.10),2.,频率,f,0,的计算,我们知道，在,T,1,时间间隔内，电容,C,的电压增量,由式,U,C,=,Q,/,C,计算得,(3.2.11),u,o,(,t,),t,0,U,oH,R,b,C,R,a,C,U,oL,A,u,o,R,3,R,1,R,2,a,C,b,V,1,V,2,R,W,R,b,R,a,占空比可调：,调节电位器抽头的位置，充放电时常数就不等。,图示电路为,单运放弛张振荡器,。其中集成运放用作反相迟滞比较器，输出电源电压,U,CC,或,-,U,EE,，,R,3,隔离输出的电源电压与稳压二极管,D,Z1,和,D,Z2,限幅后的电压。仍然认为,D,Z1,和,D,Z2,的稳定电压为,U,Z,，,而导通电压,U,D(on),近似为零。经过限幅，输出电压,u,o,可以是高电压,U,OH,=,U,Z,或低电压,U,OL,=-,U,Z,。,第四章,窗口比较器,假定,U,R2,U,R1,u,i,U,R1,，,U,o1,为低电平,U,oL,，,V,1,截止,U,o2,为高电平,U,oH,，,V,2,导通，,U,o,U,oH,。,U,R1,u,i,U,R2,，,U,o1,和,U,o2,均为低电平,U,oL,，,V,1,、,V,2,同时截止，输出,U,o,=0,。,u,i,U,R2,，,U,o1,为高电平,U,oH,，,V,1,导通,U,o2,为低电平,U,oL,，,V,2,截止，,UoUoH,。,窗口比较器,利用上述窗口比较器设计的双向高压过压检测电路,3.3,单片集成专用电压比较器,1.,通用低速型,(LM311/211/111),2.,通用型,/,中速型,(LM119),3.,高精度,/,低失调,/,低功耗,(LM339/239/139),4.,高速,/,低功耗,(MAX901903),【,例,3.3.1,】,由单片集成电压比较器,LM311,构成的整形电路如图,3.3.1(a),。,LM311,的输出电平转换时间为,200ns,。,若分别输入频率为,f,i1,=1kHz,，,f,i2,=1MHz,，,f,i3,=5MHz,的正弦信号，试问输出波形将有何变化。,图,3.3.1,电压比较器和输出波形,(a),电路；,(b),对应不同信号频率的输出波形,解,(1),对于,f,i1,=1kHz,的输入信号，比较器的输出为方波。,(2),对于,f,i2,=1MHz,的输入信号，比较器的转换时间将对波形有较大影响，其输出方波的边缘已经很差,(,如图,3.3.1(b),所示,),。,(3),对于,f,i3,=5MHz,的信号，其周期为,200ns,，,半个周期时间为,100ns,，,已经少于比较器的转换时间,(200ns),，,所以比较器的状态根本来不及翻转，故输出波形为一不变的直线,(,如图,3.3.1(b),所示,),。,所以，我们在使用器件时，一定要注意器件的特性是,否满足我们的实际需要。,3.4,模拟开关,模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号的通断。一个理想的模拟开关，应接通时相当于短路，关断时相当于开路，工作速度要快，各开关间的隔离度要好。模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用,MOS,场效应管构成。,CMOS,模拟开关具,有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。,图,3.4.1 CC4046,四双向模拟开关,1.CC4066,模拟开关,3.4.1,常用模拟开关,2.CD4051,模拟开关,图,3.4.2 CD4051,结构框图,图,3.4.3 CD4051,引脚图及功能表,(a),引脚图,(b),功能表,图,3.4.4 MAX4661,的引脚图及主要参数,3.MAX4661,模拟开关,3.4.2,模拟开关的应用,1.,增益控制,图,3.4.5,所示为一反相比例放大器，若要求输入电阻一定，而增益可控，则可以在反馈支路中置入模拟开关。随着控制电压,U,Ci,的不同，反馈电阻也不同，以此,达到控制增益的目的。,图,3.4.5,增益控制电路,2.,脉冲调制,如图,3.4.6,所示，,一正弦波加入到模拟,开关输入端，控制端是一宽度为,，周期为,T,的脉冲波，则输出波形为已调脉冲波。,图,3.4.6,脉冲调制电路及波形,3.,时分多路数据采集,诸如,CD4051,一类的模拟开关，有三个控制端,(,分别为,A,、,B,、,C),、,八个输入端和一个输出端。当赋予,A,、,B,、,C,不同的逻辑值,(0,或,1),时，则输出端依次接通其中的一路输入信号,(,相当于单刀多掷开关,),，从而实现时分多路巡回数据采集的目的，如图,3.4.7,所示。,图,3.4.7 CD4051,模拟开关用于多路信号数据采集,