電壓比較器原理

1、第二十四講 電壓比較器,一、概述,二、單限比較器,三、滯回比較器,四、窗口比較器,五、集成電壓比較器,一、概述,1. 電壓比較器的功能：比較電壓信號(hào)(被測(cè)試信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))大小。廣泛用于各種報(bào)警電路和鑒幅。比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在測(cè)量、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用廣泛。 輸入電壓是連續(xù)的模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況。 使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。,2. 電壓比較器的描述方法 :電壓傳輸特性 uOf(uI),電壓傳輸特性的三個(gè)要素： （1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL； （2）閾值電壓UT； （3）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電

2、壓躍變的方向，即是從UOH躍變?yōu)閁OL，還是從UOL躍變?yōu)閁OH。,3.幾種常用的電壓比較器,（1）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓,（3）窗口比較器： 有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。,（2）滯回比較器：具有滯回特性 輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷?4.集成運(yùn)放在比較器中的應(yīng)用（非線性工作區(qū)）,電路特征：集成運(yùn)放處于開環(huán)或僅引入正反饋,集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn),1) 凈輸入電流為0 2) uP uN時(shí)， uOUOM uP uN時(shí)， uOUOM,二、單限比較器,（1）UT0 （2）UOH UOM， UOL UOM （

3、3）uI 0 時(shí) uO UOM; uI 0 時(shí) uO UOM,集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入端，需加輸入端限幅電路。,集成運(yùn)放的凈輸入電壓最大值為UD,1.過(guò)零比較器,輸出限幅電路 為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。,UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1),UOH UOL UZ,UOH UZ UOL UD,不可缺少！期限流作用,輸出限幅電路,uO UZ,（1）保護(hù)輸入端 （2）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,電壓比較器的分析方法： （1）寫出 uP、uN的表達(dá)式，令uP uN，求解出的 uI即為UT； （2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平； （3

4、）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。,（利用電壓并聯(lián)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)）,問(wèn)題：過(guò)零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？,傳輸特性,將正弦波變?yōu)榫匦尾?2.一般單限比較器,（1）若要UT 0，則應(yīng)如何修改電路？（改變參考電壓的極性） （2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如 何修改電路？（將同相輸入端與反相端所接外電路互換） （3）若要改變UOL、UOH呢？ （改變輸出端的限幅電路UZ的大小）,作用于反相輸入端,UREF參考電壓或稱基準(zhǔn)電壓,存在干擾時(shí)單限比較器的 uI、uO 波形,單限比較器的作用： 檢測(cè)輸入的模擬信號(hào) 是否達(dá)到某一給定電平。,缺點(diǎn)

5、：抗干擾能力差。,解決辦法： 采用具有滯回傳輸特性的比較器。,單限比較器的特點(diǎn)和應(yīng)用,例8.2.1在圖8.2.6所示電路中，UZ=6V ，在圖8.2.7中所示電路中， R1= R2 =5k ，基準(zhǔn)電壓UREF=2V ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5V ；它們的輸入電壓均為圖8.2.8（a）所示的三角波。試畫出圖8.2.6所示電路的輸出電壓u01和圖8.2.7所示電路的輸出電壓u02,解,圖8.2.6為過(guò)零比較器,圖8.2.7為一般單限比較器。,圖8.2.8例8.2.1波形圖,三、滯回比較器,1.從反相輸入端輸入的滯回比較器電路,1）計(jì)算閾值電壓UT,2）工作原理及電壓傳輸特性,（1）設(shè)uIUT，則

6、uN uP， uO+UZ。此時(shí)uP +UT，增大 uI，直至+UT，再增大， uO才從+UZ躍變?yōu)?UZ。,（2）設(shè) uI+UT，則 uN uP， uOUZ。此時(shí)uP UT，減小 uI，直至UT，再減小， uO才從UZ躍變?yōu)?UZ。,（3）綜述：uo從+UZ躍變到-UZ的閾值電壓為+UT；uo從-UZ躍變到+UZ的閾值電壓為-UT； uI在-UT與+UT之間增加或減小, uO不發(fā)生變化。,UREF 為參考電壓；uI 為輸入電壓；輸出電壓uO為+UZ 或-UZ。,當(dāng)uP=uN 時(shí)，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。,比較器有兩個(gè)不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。,UT-,UT+,圖 8.2.10滯回比

7、較器,2.加了參考電壓的滯回比較器,若uO=UZ，當(dāng)uI逐漸減小時(shí)，使uO由UZ跳變?yōu)閁Z所需的門限電平UT-,回差(門限寬度)UT ：,若uO=UZ，當(dāng)uI逐漸增大時(shí)，使uO由+UZ跳變?yōu)?UZ所需的門限電平UT+,1. 若要電壓傳輸特性曲線左右移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？,討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性,2. 若要電壓傳輸特性曲線上下移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？,3. 若要改變輸入電壓過(guò) 閾值電壓時(shí)輸出電壓的 躍變方向，則應(yīng)如何修 改電路？,改變輸出限幅電路UZ,加參考電壓UREF,（將同相輸入端與反相端所接外電路互換）,四、窗口比較器,當(dāng)uIURH時(shí)，uO1= uO2= UOM，D1導(dǎo)

8、通， D2截止； uO= UZ。,當(dāng)uIURH時(shí)，uO2= uO1= UOM，D2導(dǎo)通， D1截止； uO= UZ 。,當(dāng)URLuI URH時(shí)， uO1= uO2= UOM，D1、 D2均截止； uO= 0。,前面的比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)出輸入電壓是否在二個(gè)電壓之間。,五、集成比較器,1.集成電壓比較器的主要特點(diǎn)和分類：,1)具有較高的開環(huán)差模增益；,2)具有較快的響應(yīng)速度；,3)具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；,4)具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。,分類：,單、雙和四電壓比較,通用型、高速型、低電壓型和高精度型,普通、集電極（或

9、漏極）開路輸出或互補(bǔ)輸出型,2.集成電壓比較器的基本接法,1)通用型集成電壓比較器AD790(P435),2)集電極開路集成電壓比較器LM119,金屬封裝的管腳圖,電路為雙限比較器，能實(shí)現(xiàn)線與功能,圖8.2.16由LM119構(gòu)成的雙限比較器及其電壓傳輸特性,3)說(shuō)明 （1）單電源供電時(shí)，負(fù)電源端-VS應(yīng)接地。 （2）管腳8接邏輯電源，計(jì)作VLOgic，其值決定于負(fù)載所需高電平；為了驅(qū)動(dòng)TTL電路，迎接+5V。 （3）管腳5位鎖存控制端，當(dāng)它位低電平時(shí)，鎖存輸出信號(hào)。 （4）電路中電容均為耦合電容，用于濾去比較器輸出產(chǎn)生變化時(shí)電源電壓的波動(dòng)。圖B中的510歐姆電阻是輸出高電平時(shí)得上拉電阻。 （5

10、）集電極開路集成電壓比較器LM119輸出采用了“線與”。 一般比較器不可以采用，否則當(dāng)兩個(gè)輸出電壓產(chǎn)生沖突時(shí)，會(huì)因輸出回路電流國(guó)大造成器件損壞。,特點(diǎn)： 1. 無(wú)需限幅電路，根據(jù)電源電壓確定所需高、低電平； 2. 可直接驅(qū)動(dòng)集成數(shù)字電路； 3. 響應(yīng)速度快； 4. 可具有選通端； 5. 電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。,某型號(hào)集成比較器的等效電路,討論二,已知某型號(hào)集成電壓比較器內(nèi)部等效電路如圖（a）所示，試求解圖（b）（e）各電路的電壓傳輸特性。,求解過(guò)程：見西提解答的P251例8.1.9；P254的例8.1.10,討論三,已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說(shuō)出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為5sint (V)，畫出各電路輸出電壓的波形。,你能分別組成具有圖示電壓傳輸特性的電壓比較器電路嗎？,同相輸