同相滯回比較器[共71頁]

1、1,7.4.1 簡單電壓比較器,7.4.2 遲滯比較器,7.4 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用,7.4.3 窗口比較器,概述,2,Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，輸入大于 ,則輸出uo要么為+UOM，要么為-UOM。,線性放大區(qū),*復(fù)習(xí),3,概述 運(yùn)放的非線性應(yīng)用 1. 電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。,比如：運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用,運(yùn)放開環(huán)、有正反饋時(shí)，處于非線性狀態(tài),4,ui0時(shí)：,ui0時(shí)：,2. 電路中的運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。,D導(dǎo)通,D截止,5,由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放是否工作在線性區(qū)。,確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判

2、斷電路中有無負(fù)反饋。,若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)； 若無負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。,處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：,1. 虛短路不成立。 2. ri仍可以認(rèn)為很大。 3. rO=0。,3. 電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）。,6,運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件穩(wěn)壓二極管。,R：限流電阻。一般取100 。,DZ雙向穩(wěn)壓管,例：限幅器,7,當(dāng) 時(shí)，在雙向穩(wěn)壓管的作用下，,當(dāng) 時(shí)，雙向穩(wěn)壓管不通，運(yùn)放工作在 線性狀態(tài)。,*另一種形式的限幅器：雙向穩(wěn)壓管接于負(fù)反饋回路上。,反向比例 運(yùn)算電路,8,傳輸特性,9,由于穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，將引入

3、一個(gè)深度負(fù)反饋，此時(shí)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，且其反相輸入端“虛地” 。,uo,t,過零附近運(yùn)放仍處于線性區(qū),10,電壓比較器的主要作用是進(jìn)行電平檢測(cè)。,7.4.1 簡單電壓比較器,利用電壓比較器進(jìn)行電平檢測(cè)波形示意圖,11,功能: 比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系); 用途：可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作電平檢測(cè)、波形產(chǎn)生和變換電路等。,2運(yùn)放的工作狀態(tài) 比較器電路中的運(yùn)放一般在開環(huán)或正反饋條件下工作，運(yùn)放的輸出電壓只有正和負(fù)兩種飽和值，即運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。在這種情況下，運(yùn)放輸入端“虛短”的結(jié)論不再適用，但“虛斷”的結(jié)論仍然可用。,1電壓比較

4、器的功能,12,常用的電壓比較器有：,零電平比較器(過零比較器) 非零電平比較器(單限比較器) 遲滯比較器（滯回比較器） 窗口比較器(雙限比較器),3電壓比較器的類型,13,（1）閾值電壓：比較器輸出發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓稱之為閾值電壓或門限電平。（2）輸出電平：輸出電壓的高電平和低電平。（3）靈敏度：輸出電壓跳變的前后，輸入電壓之差值。其值越小，靈敏度越高。然而，靈敏度越高，抗干擾能力就越差。零電平和非零電平比較器的靈敏度取決于運(yùn)放從一個(gè)飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)飽和狀態(tài)所需輸入電壓的值，而遲滯比較器的靈敏度等于兩個(gè)閾值電壓之差值。因而，遲滯比較器的抗干擾能力強(qiáng)。（4）響應(yīng)時(shí)間：輸出電壓發(fā)生跳變所需

5、的時(shí)間稱之為響應(yīng)時(shí)間。,4、電壓比較器的性能指標(biāo),14,5電壓比較器的分析方法,若U-U+ 則UO=-UOM； 若U-U+ 則UO=+UOM。 只有當(dāng)U-=U+時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變；反之，若輸出發(fā)生跳變，必然發(fā)生在U-=U+的時(shí)刻。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0） 注意：此時(shí)不能用虛短！,理想情況,實(shí)際情況,電壓比較器在輸出狀態(tài)跳變過程中，運(yùn)放可視為在線性區(qū)工作。,按理想情況分析,15,注意：,稱之為同相比較器,稱之為反相比較器,16,UR,UR為參考電壓 (閾值電壓： P285定義),當(dāng)ui UR時(shí) , uo = +Uom 當(dāng)ui UR時(shí) , uo = -Uom,一、非零電平比較器,若ui 從

6、同相端輸入,（同相電壓比較器）,17,UR,當(dāng)ui UR時(shí) , uo = -Uom,若ui從反相端輸入,電壓 比較器,（反相電壓比較器）,18,: 當(dāng)UR =0時(shí),電壓 比較器,二、零電平比較器,19,利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?電壓 比較器,例題：,UR=0,20,忽略了正向壓降UF,電壓 比較器,用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓,21,為了限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓，保護(hù)其輸入級(jí)，可加二極管限幅電路 。,作用：a）使Uo0時(shí)的輸出更接近0；b）DZ有存儲(chǔ)效應(yīng)，D的跳變速度快，使輸出接近矩形波。,22,7.4.2 遲滯比較器（滯回比較器、滯環(huán)比較器、 施密特觸發(fā)器）,單限比較器的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單

7、，靈敏度高。但是，主要缺點(diǎn)是抗干擾能力差。如果輸入電壓因受干擾或噪聲的影響，單限比較器的輸出端電壓將會(huì)在高、低兩種電平之間頻繁地反復(fù)跳變，使電路不能穩(wěn)定工作。波形示意圖如右所示：,單限比較器的優(yōu)缺點(diǎn)：,t,uI,0,uO,0,t,門限電平,+(UZ+ UD),-(UZ+ UD),23,1.遲滯比較器(下行),特點(diǎn):電路中使用正反饋和uo相連，而uo有兩個(gè)值，所以對(duì)應(yīng)的U+就有兩個(gè)值。故閾值電壓就有兩個(gè)值。,1、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?2、當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo =+UOM) ：,3、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo =-UOM) ：,（反相滯回比較器 ）,24,設(shè)ui , 當(dāng)ui = U+L, uo從

8、-UOM +UOM,這時(shí), uo =-UOM , U+= U+L,設(shè)初始值: uo =+UOM , U+= U+H 設(shè)ui , 當(dāng)ui = U+H , uo從+UOM -UOM,遲滯 比較器,25,U+H上門限電壓 U+L下門限電壓 U+H - U+L稱為回差,遲滯 比較器,傳輸特性,26,遲滯 比較器,例:設(shè)輸入為正弦波, 畫出輸出的波形。,假設(shè)開始時(shí)UO為UOM,想想:假設(shè)開始時(shí)UO為 UOM?,27,上下限（用疊加定理）,遲滯 比較器,加上參考電壓后的遲滯比較器(下行) ：,U+=U-時(shí)所對(duì)應(yīng)的ui值就是閾值,28,R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V當(dāng)輸入ui為如

9、圖所示的波形時(shí)，畫 出輸出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,遲滯 比較器,例題：,2V,10V,29,遲滯 比較器,2V,10V,t,t,30,滯回比較器可以組成矩形波、鋸齒波等非正弦信號(hào)發(fā)生電路，也可以實(shí)現(xiàn)波形變換。與單限比較器相比，滯回比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。波形示意圖如右所示：,滯回比較器的主要優(yōu)點(diǎn),31,干擾太大，滯回功能會(huì)失效,32,遲滯 比較器,遲滯比較器(下行)兩種電路傳輸特性的比較:,33,當(dāng)uo= -UOM,當(dāng)uo= +UOM,ui=,ui=,遲滯 比較器,2.遲滯比較器(上行)（同相滯回比較器）,令,令,以前學(xué)習(xí)的過零同相比較器,34,傳輸特性曲線,上下門限

10、電壓,遲滯 比較器,35,上下門限電壓,加上參考電壓后的遲滯比較器(上行) ：,36,加上參考電壓后的遲滯比較器(上行)傳輸特性：,37,為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個(gè)要素：,注意：,38,電壓比較器是一種常見的模擬信號(hào)處理電路，它將一個(gè)模擬輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，為數(shù)字量 ；而輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，因此比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的“接口”。,39,在如圖所示電路中，R1=R2=5k，基準(zhǔn)電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為如圖所示的三角波，試畫出輸出電壓。,例1,電壓傳輸特

11、性的趨勢(shì).UT的具體值有待下面求得.,無正反饋,單閾值,40,解：,令uN=uP=0，則求出閾值電壓,所以畫出輸出波形如圖所示：,41,1,42,在左圖（a）所示電路中，已知R1=50k，R2=100k，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=9V，輸入電壓uI的波形如右圖（a）所示，試畫出輸出電壓uo的波形。,例2,有正反饋,雙閾值,43,解：輸出高電平和低電平分別為UZ=9V，閾值電壓,畫出電壓傳輸特性如圖（c）所示。根據(jù)電壓傳輸特性便可畫出uo的波形，如圖（b）所示。從波形可以看出，uI的變化在UT之間時(shí)，uo不變，表現(xiàn)出一定的抗干擾能力。兩個(gè)閾值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強(qiáng)，但靈敏度變差；因此應(yīng)

12、根據(jù)具體需要確定差值的大小。,三要素法：,44,設(shè)計(jì)一個(gè)電壓比較器，使其電壓傳輸特性如圖（a）所示，要求所用電阻值在20100k之間。,討論題,3,解：根據(jù)電壓傳輸特性可知，輸入電壓作用于同相輸入端，而且uo=UZ=6V，UT1=UT2=3V，電路沒有外加基準(zhǔn)電壓，故電路如圖（b）所示。求解閾值電壓的表達(dá)式：,45,所以，若取R1為25k，則R2應(yīng)取為50k；若取R1為50k，則R2應(yīng)取為100k。,故,本題有無問題？問題在哪里？請(qǐng)改正之！,46,實(shí)驗(yàn)中的加熱裝置可用一個(gè)100/2W的電阻RT模擬，將此電阻靠近Rt即可。,差動(dòng)放大電路,滯回比較器,三極管放大,電路如圖所示，它是由負(fù)溫度系數(shù)電阻

13、特性的熱敏電阻（NTC元件）Rt為一臂組成測(cè)溫電橋，其輸出經(jīng)測(cè)量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”與“停止”信號(hào)，經(jīng)三極管放大后控制加熱器“加熱”與“停止”.改變滯回比較器的比較電壓UR即改變控溫的范圍，而控溫的精度則由滯回比較器的滯回寬度確定,實(shí)例1,請(qǐng)同學(xué)們自薦或推薦一兩名同學(xué)做此實(shí)驗(yàn),47,由上述分析可見差動(dòng)放器輸出電壓u01經(jīng)分壓后給A2組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓UR相比較。當(dāng)同相輸入端的電壓信號(hào)大于反相輸入端的電壓時(shí)，A2輸出正飽和電壓，三極管T飽和導(dǎo)通。通過發(fā)光二極管LED的發(fā)光情況，可見負(fù)載的工作狀態(tài)為加熱。反之，當(dāng)同相輸入信號(hào)小于反相輸入端電壓時(shí)，A2輸出負(fù)飽和

14、電壓，三極管T截止，LED熄滅，負(fù)載的工作狀態(tài)為停止。調(diào)節(jié)RW4可改變參考電平，也同時(shí)調(diào)節(jié)了上下門限電平，從而達(dá)到設(shè)定溫度的目的。,電橋的主要功能是把微小的電壓變化或其他原因引起的電橋穩(wěn)定性變化表現(xiàn)出來，這個(gè)電壓偏差可以是幾個(gè)微伏到幾千幾萬微伏，如果沒有電橋的穩(wěn)定性功能是很難解決這些出現(xiàn)在個(gè)別元器件上的偏差的 。,加熱,停止加熱,調(diào)整管,取樣 電路,脈寬調(diào)制(PWM)電路 開關(guān)調(diào)整管控制,濾波,頻率固定的三角波,誤差放大,續(xù)流,開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理,一、 串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路,組成框圖,誤差放大器放大的是比較出來的結(jié)果.就是采樣和基準(zhǔn)的誤差，所以比較放大器是放大比較出來的誤差。,實(shí)例2,1

15、. 取樣環(huán)節(jié)： R1 、R2 分壓提取取樣電壓uF（反饋電壓）,2. 基準(zhǔn)電壓環(huán)節(jié)：提供穩(wěn)壓的基準(zhǔn)電壓UREF,3. 放大環(huán)節(jié)：比較放大器A1，放大差值（ UREF uF）,4. 調(diào)整環(huán)節(jié)：調(diào)整管T由開關(guān)信號(hào)uB控制通斷，穩(wěn)定輸出電壓UO,詳解,5. LC濾波器及續(xù)流二極管D：濾波和續(xù)流得到平穩(wěn)的直流電壓。,6. 脈寬調(diào)制比較器C ：反相端接uT （三角波發(fā)生器的輸出），,同相端接uA （比較放大器輸出），輸出開關(guān)信號(hào)uB驅(qū)動(dòng)調(diào)整管。,三角波發(fā)生器與比較器組成的電路稱為脈寬調(diào)制電路(PWM),T,-,+,當(dāng)uB為高電平T飽和、D截止，uE=UI ,經(jīng)LC濾波到負(fù)載RL,同時(shí)iL時(shí) L和C儲(chǔ)存能

16、量,當(dāng)uB為低電平T截止、D導(dǎo)通， uEUD0，,D續(xù)流 LC泄放能量給RL供電， 輸出較平穩(wěn)的直流電壓,開關(guān)電源的工作原理,T,-,+,工作波形, 占空比,脈寬調(diào)制式 (PWM),穩(wěn)壓原理,忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量:,Vo的推算過程,實(shí)例3 比較器在D類放大器的應(yīng)用,PMOS,NMOS,從PWM波形中提取出放大后的音頻信號(hào)，需將D類放大器的輸出送入一個(gè)低通濾波器,送入低通濾波器前的信號(hào),57,: 求下圖所示電壓比較器的閾值，并畫出傳輸特性。,課堂練習(xí),設(shè)UOH=12V， UOL= -12V， VD為理想二極管。,1,2,輸入信號(hào)的頻譜圖,濾波前輸出信號(hào)的頻譜圖,濾波

17、后輸出信號(hào)的頻譜圖,59,2參考答案：上下閾值分別為： UO= UOH 時(shí)，UD 導(dǎo)通， UR= （10/30）*12+ (20/30) * UTH1= 9V UTH1=(9-4) (2/3) =7.5V UO= UOL 時(shí)，UD 截止， UTH2 = 9V 為同相滯回比較器，傳輸特性如下，,60,UTH1 = (30*2)/(10+30) + (10*6)/(10+30) = 3V,UTH2 =(30*2)/(10+30) + 10*(-6)/(10+30) = 0V,1參考答案: 上下閾值分別為,為反相滯回比較器其傳輸特性如下：,61,了解 7.4.3 雙限比較器（窗口比較器）,其中：UA

18、UB,單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單一方向變化時(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)給定電壓VA、VB之間，而窗口比較器具有這一功能。其電路及傳輸特性曲線如右下圖所示：,62,由圖可知： 當(dāng)uIUB時(shí)： A1的輸出端為低電平；A2的輸出端為高電平，則二極管D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓uO為高電平。 特性曲線如右圖所示：, 雙限比較器的工作原理,其中：UAUB,注意: 連接,下臺(tái)階,上臺(tái)階,UOA2,UOA1,63,當(dāng)uIUA時(shí)： A1的輸出端為高電平， A2的輸出端為低電平， 則二極管D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓uO也是高電平。 特性曲線如右圖所示：,其中：UAUB,雙限比

19、較器 工作原理,64,當(dāng)UB uI UA時(shí)； A1 、A2的輸出端均為低電平， 兩個(gè)二極管均截止，輸出電壓uO為低電平。 特性曲線如右圖所示：,其中：UAUB,雙限比較器 工作原理,65,雙限比較器及其傳輸特性動(dòng)畫,66,由兩個(gè)簡單比較器組成的窗口比較器,（a）電路圖 （b）傳輸特性,注意:連接法,67,窗口比較器應(yīng)用 三極管 值分選電路,用雙電壓比較器LM393設(shè)計(jì)一個(gè)值分選電路，要求當(dāng)被測(cè)三極管的 250， LED不亮，表示不合格；當(dāng)150 250，LED 亮，表示合格。已知電源電壓Vcc=12V，三極管集電極電阻R2=2K。,68,1、根據(jù)題意要求，設(shè)計(jì)與計(jì)算Rb的阻值，調(diào)節(jié)W1使Rb回

20、路總阻值等于設(shè)定值并連接好電路。 2、根據(jù)Rb取值和被測(cè)晶體管 值范圍計(jì)算出Uc的正常范圍，按照Uc的變化范圍在萬用表幫助下調(diào)節(jié)W2、W3到設(shè)定的上限UREF1與下限電壓UREF2 。 3、測(cè)量被測(cè)三極管的靜態(tài)直流電壓并記錄，判斷三極管是否處于放大狀態(tài)，如不是放大狀態(tài)則檢查電路是否連接有誤或Rb取值設(shè)計(jì)不當(dāng)，裝入一些已知直流 值的晶體三極管，驗(yàn)證電路工作情況。,69,單限比較器：電路只有一個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI逐漸增大或減小過程中，當(dāng)通過UT時(shí)，輸出電壓uO產(chǎn)生躍變，從高電平UOH躍變?yōu)榈碗娖経OL，或者從UOL躍變?yōu)閁OH。 滯回比較器：電路有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI從小變大過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT1，不等于從大變小過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT2，電路具有滯回特性。 窗口比較器：電路也有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓uI從小變大或從大變小過程中使輸出電壓uO產(chǎn)生兩次躍變。,總 結(jié),70,比較器在最常用的簡單集成電路中排名第二，僅次于排名第一的運(yùn)算放大器。在各類出版物中可以經(jīng)?？吹竭\(yùn)算放大器的理論，關(guān)于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和使用方法的圖書也非常多，可是我