几种电压比较器的说明和比较教学资料.docx

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几种电压比较器的说明和比较教学资料

几种电压比较器的说明和比较

集成运放组成的电压比较器

1. 功能及应用：

主要用来判断输入信号电位之间的相对大小，它至少有两个输入端及一个输出端，通常用一个输入端接被比较信号Ui，另一个则接基准电压VR 定门限电压（或称阀值）的UT。

输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波，应用于模－数转换，波形产生及变换，及越限警等。

2. 运放的工作状态：

开环和正反馈应用：

运放在线性运用时，由于开环增益一般在105以上，所以其对应的输入的线性范围很小，Ui数量级，为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈，降低其开环增益。

而比较器则希望其输入的线性范围越小越好（即比较灵敏度越高）采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。

在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。

见图8.2.1，请注意横、纵坐标标度的不同

（1） 从途中可化称

（2） 若Ui发出变化，使Uo从负波饱和值突变到正饱和值，只在经过极窄的线性区

    时，才遵循在线性工作时才特有的“虚短”，其它时刻“虚短”不复存在。

（3） 若横坐标采用与纵坐标相同的标尺，则线性部分特性与纵轴合拢。

（4） 若用正反馈使Aod↑，则可缩短状态的转换时间。

3. 分类：

（1） 单限比较器

（2） 迟滞比较器（Schmitt）

（3） 双限比较器（窗口比较器）

二. 单限比较器

1. Ui与UR分别接运放两输入端的开环串接比较器，见图8.2.2

ΔUi>UR Uo=+Uom

ΔUi

ΔUi=UR Uo发生翻转（或称突变）

UT=UR 谶纬门限电压或阀值，若UR=0称为过零比较器

Δ当Ui与UR互换位置，此时Uo以Ui=UR为对称轴与交换量对称。

2. Ui与UR并联在运放同一输入端时的开环并接比较器 见图8.2.3

Δ在同相端可作Therenin等效

当Uoc>0时，即 Uo=+Uom

当Uoc<0时，即 Uo=-Uom

可见

Δ若把运放的同相端与反相端互换，则与图8.2.2（b）类同

三. 迟滞比较器（正反馈比较器）

其特点抗干扰能力较强。

在单限比较器种，如果Ui受到干扰，在阀值附近回出现Ui+ΔUi（干扰信号多出现在阀值电压上，下波动，以致出现条纹误翻转，而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压，输入的干扰信号不能使状态误翻转。

1. 两种迟滞比较器的传输特性 见图8.2.4

动画演示 

迟滞比较器在单调区间内只能变化一次；

对于反相：

Ui从小变到大时，Uo一直为高电平，只有当Ui到达上门限电压时，Uo翻转为低电平，之后随着Ui不断增大，Uo始终为低；在Ui减小时，必须减到下门限电压时，Uo才会翻转为高电平

对于同相：

Ui从小变到大时，Uo一直为低电平，只有当Ui到达上门限电压时，Uo翻转为高电平，之后随着Ui不断增大，Uo始终为高；在Ui减小时，必须减到下门限电压时，Uo才会翻转为低电平

Δ同相型：

Ui接运放同相端

反相型：

Ui接运放反相端

Δ均由二根传输特性

（1），

（2）合成，同相型. 当Ui从低值↑≥UTH，Uo从UOL↑UOH；当Ui从高值↓≤UTL时，Uo从UOH↓UOL。

   反相型则类同。

Δ UTH，UTL为二个阀值，ΔUT（回差）＝UTH－UTL

Δ |UOH|=|UOL|或|UOH|≠|UOL|根据输出是否有箝位电路而定。

2. 二种基型迟滞比较器

（1） 反相型迟滞比较器 见图8.2.5

Ui=U－，Uo被箝位在±UZ，避免运放计入过饱和。

假设Ui在足够低时，Ui

此时

Δ当Ui从低值↑ 若Ui≥U+时，Uo从+UZ↓ -UZ

此时

Δ当Ui从高值↓至Ui≤，Uo从-UZ↑+UZ

Δ门限宽度ΔUT=UTH-UTL=

Δ当UR=0时，

ΔUi无论从足够低或足够高单调增加或单调减少，Uo仅翻转一次，即过了阀值后就维持在一种稳态。

因为当过阀值电压后，Uo从低变为高或从高变为低了，正反馈到Ur（Uth）端，使该阀值电压变高或变低了。

只要门限宽度ΔUT=UTH-UTL

幅度大于UI 在阀值电压波动的幅度，Uo就不会翻转了，所以比单限比较器抗干扰能力强多了。

（2） 同相迟滞比较器 见图 8.2.6

注××××××：

Ui 和Ur的位置应该互换一下

UTL=U－

设Ui足够低，使U+ 

若要使Uo从-UZ上升到+UZ，必须使Ui↑，以致使U+≥U－=UR才行，而此时对应UR的Ui=UTH

Δ当Ui从低值↑，使

即 此时Uo从-UZ↑+UZ

Δ当Ui从高值↓，使时所对应的Ui=UTL

即 此时Uo从+UZ↓-UZ

同上面反相型类同，Ui单调升或单调降，Uo只改变一次状态，过了阀值后只维持在一种稳态上。

我的理解：

首先求出阀值电压；阀值电压是在放大器处在线性区域时求得的，不过在正反馈中，线性区域很窄。

在该区域，才可以用到虚断和虚短的概念。

（在正反馈状态下，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似等于0，才能用到虚断和虚短的）

Vp=Vn=Ur

Vr=R1*Ui/（R1+R2）+R2*Uo/（R1+R2）     

（1）

而门限电压是对于输入电压来说的，当输入电压大于或小于这个Uth时，输出就会有跳变。

所以

  当Ui=Uth时，这时的输入电压就是门限电压：

而由

（1）式可求出，Uth=Ui=Ur（R1+R2）/R1–R2Uo/R1，（Uo=+-Uz）

四. 双限比较器 （窗口比较器）

其特点是Ui单调升或单调降，Uo均有两次突变，与单限比较器和迟滞比较器有区别，因此它可以判别Ui是否在两个电平之间。

它实际上由二个单限开环比较器组成，D1，D2作用为隔断，Uo1，Uo2连接通路，避免Uo1，Uo2极性相反时，互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。

ΔUi

ΔUi>URH（>URL） 

ΔURL

Δ采用上面窗口比较器可以区分三极管β是否在需要范围内，比如记为合格范围为 50<β100，其它β<50或β>100均要取出，则可用发光二极管亮表示一种越限极警，不亮记为可通过即β合格。

Δ改接一下上述输入输出回路即方便可得

分析上面的等效三极管电路，e端接15v，b端通过下拉电阻接地，从而b端电压为（15-0.7）v，c端同样接下拉电阻接地，只要c端的Ui电压比b端电压低，就能保证集电结的反偏

要区分β=50，100 找出时应得URL及URH

对应图 8.2.7（b） 传输特性可画出β与Uo的关系

即