(完整word版)過零比較器單限比較器滯回比較器窗口比較器(word文檔良心出品).doc

1、一、過零比較器過零比較器，顧名思義，其閾值電壓 UT=0V。電路如圖 (a)所示，集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為 +UOM 或-UOM。當輸入電壓 uI 0V 時，UO=-U OM。因此，電壓傳輸特性如圖 (b)所示。為了限制集成運放的差模輸入電壓，保護其輸入級，可加二極管限幅電路，如右圖所示。 兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值不同在實用電路中為了滿足負載的需要，常在集成運放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路， 從而獲得合適的 U OH 和 UOL，如圖（725）(a)所示。圖中 R 為限流電阻，兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓均應小于集成運放的最大輸出電壓 UOM。設穩(wěn)壓管 DZ1 的穩(wěn)定電壓為 UZ1，穩(wěn)壓管 DZ2 的

2、穩(wěn)定電壓為 UZ2，U Z1 和 UZ2 的正向?qū)妷壕鶠?UD。當 uI0 時，由于集成運放的輸出電壓u/O=-U OM， DZ2 使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)， DZ1 工作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓u O=U OL=- （UZ2+U D） 兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值相同若要求， UZ1=U Z2 則可以采用兩只特性相同而又制作在一起的穩(wěn)壓管，其符號如圖 (b)所示，穩(wěn)定電壓標為 UZ。當 uI 0 時， u O=U OL =-U Z。 穩(wěn)壓管接在反饋通路中限幅電路的穩(wěn)壓管還可跨接在集成運放的輸出端和反相輸入端之間，如右圖所示。假設穩(wěn)壓管截止， 則集成運放必然工作在開環(huán)狀態(tài)，輸出電壓不是 +UOM ，就是-

3、UOM。這樣，必將導致穩(wěn)壓管擊穿而工作在穩(wěn)壓狀態(tài)， DZ 構成負反饋通路，使反相輸入端為“虛地”，限流電阻上的電流 iR 等于穩(wěn)壓管的電流 iZ，輸出電壓 u O= UZ。電路優(yōu)點： 由于集成運放的凈輸入電壓和凈輸入電流均近似為零，從而保護了輸入級； 由于集成運放并沒有工作到非線性區(qū)，因而在輸入電壓過零時，其內(nèi)部的晶體管不需要從截止區(qū)逐漸進入飽和區(qū)，或從飽和區(qū)逐漸進入截止區(qū)，所以提高了輸出電壓的變化速度。二、一般單限比較器如圖 (a)所示為一般單限比較器， UREF 為外加參考電壓。根據(jù)疊加原理，集成運放反相輸入端的電位（推導過程 ）令 uN=uP=0，則求出閾值電壓當 uI U T 時， u

4、NU T 時， uNuP，所以 u/o=-U OM，uo=UOL=-UZ。若 UREF0，則圖 (a)所示電路的傳輸特性如圖 (b)所示。綜上所述， 分析電壓傳輸特性三個要素的方法是： 通過研究集成運放輸出端所接的限幅電路來確定電壓比較器的輸出低電平 UOL 和輸出高電平 UOH ； 寫出集成運放同相輸入端、 反相輸入端電位 uN 和 uP 的表達式，令 uN=uP，解得輸入電壓就是閾值電壓； uo 在 uI 過 UT 時的躍變方向決定于 uI 作用于集成運放的哪個輸入端。 當 uI 從反相輸入端輸入時， uI U T，uo=U OL 。 當 uI 從同相輸入端輸入時， uI U T，uo=U

5、 OH 。絕大多數(shù)比較器中都設計帶有滯回電路, 通常滯回電壓為5mV 到 10mV 。內(nèi)部滯回電路可以避免由于輸入端的寄生反饋所造成的比較器輸出振蕩。但是內(nèi)部滯回電路雖然可以使比較器免于自激振蕩, 卻很容易被外部振幅較大的噪聲淹沒。這種情況下需要增加外部滯回, 以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。首先 , 看一下比較器的傳輸特性。圖 1 所示是內(nèi)部沒有滯回電路的理想比較器的傳輸特性實際比較器的傳輸特性。從圖2 可以看出 , 實際電壓比較器的輸出是在輸入電壓(VIN) 增大到,圖2所示為2mV 時才開始改變。圖 1. 理想比較器的傳輸特性圖 2. 實際比較器的傳輸特性運算放大器在開環(huán)圖 3. 無滯回電路時比

6、較器輸出的模糊狀態(tài)和頻繁跳變舉個例子 , 考慮圖 4 所示簡單電路 , 其傳輸特性如圖5 所示。比較器的反相輸入電壓從0 開始線性變化 ,由分壓電阻R1、R2構成正反饋。當輸入電壓從1 點開始增加(圖 6),在輸入電壓超過同相閾值VTH+ = VCCR2/(R1 + R2)之前 ,輸出將一直保持為VCC 。在閾值點, 輸出電壓迅速從VCC跳變?yōu)閂SS,因為 ,此時反相端輸入電壓大于同相端的輸入電壓。輸出保持為低電平, 直到輸入經(jīng)過新的閾值點5 ,VTH- = VSSR2/(R1 + R2) 。在 5 點, 輸出電壓迅速跳變回VCC,因為這時同相輸入電壓高于反相輸入電壓。圖 4. 具有滯回的簡單

7、電路圖 5. 圖 4 電路的傳輸特性圖 6. 圖 4 電路的 /輸出電壓波形圖 4 所示電路中的輸出電壓 VOUT 與輸入電壓 VIN 的對應關系表明 , 輸入電壓至少變化 2VTH 時 , 輸出電壓才會變化。因此 , 它不同于圖 3 的響應情況 (放大器無滯回 ), 即對任何小于 2VTH 的噪聲或干擾都不會導致輸出的迅速變化。在實際應用中 , 正、負電壓的閾值可以通過選擇適合的反饋設置。其它設置可以通過增加不同閾值電壓的滯回電路獲得 。圖 7 電路使用了兩個調(diào)節(jié)正負極性的閾值 。與圖 4 所示比較器不同 , 電阻反饋網(wǎng)絡沒有加載到負載環(huán)路MOSFET 和一個電阻網(wǎng)絡, 圖 8 給出了輸入信

8、號變化時的輸出響應。圖 7. 通過外部 MOSFET 和電阻構成滯回電路圖 8. 圖 7 電路的輸入 /輸出電壓波形比較器內(nèi)部的輸出配置不同, 所要求的外部滯回電路也不同。例如, 具有內(nèi)部上拉電阻的比較器,可以在輸出端和同相輸入端直接加入正反饋電阻。輸入分壓網(wǎng)絡作用在比較器的同相輸入端,反相輸入電壓為一固定的參考電平(如圖 9)。圖9.在帶有上拉電阻的比較器中加滯回電路如上所述 , 具有內(nèi)部滯回的比較器提供兩個門限：一個用于輸入上升電壓(VTHR), 一個用于檢測輸入下降電壓 (VTHF),對應于圖8 的 VTH1 和 VTH2 。兩個門限的差值為滯回帶(VHB) 。當比較器的輸入電壓相等時

9、, 滯回電路會使一個輸入迅速跨越另一輸入, 從而使比較器避開產(chǎn)生振蕩的區(qū)域。圖10 所示為比較器反相輸入端電壓固定, 同相輸入端電壓變化時的工作過程,交換兩個輸入可以得到相似波形, 但是輸出電壓極性相反。圖 10. 圖 9 電路的輸入 /輸出電壓波形根據(jù)輸出電壓的兩個極限值 (兩個電源擺幅 ), 可以很容易地計算反饋分壓的電阻值。內(nèi)部有 4mV 滯回和輸出端配有上拉電阻的比較器- 如 Maxim 的 MAX9015 、MAX9017 和 MAX9019等。這些比較器設計用于電壓擺幅為VCC 和 0V 的單電源系統(tǒng) ?？梢园凑找韵虏襟E, 根據(jù)給定的電源電壓、電壓滯回 (VHB) 和基準電壓 (V

10、REF),選擇并計算需要的元件：第 1 步選擇 R3, 在觸發(fā)點流經(jīng)R3 的電流為 (VREF - VOUT)/R3 ?？紤]到輸出的兩種可能狀態(tài), R3 由如下兩式求得：R3 = VREF/IR3和R3 = (VCC - VREF)/IR3.取計算結(jié)果中的較小阻值, 例如 , VCC = 5V, IR3 = 0.2A, 使用 MAX9117 比較器算結(jié)果為6.2M和 19M, 選則 R3 為 6.2M。(VREF = 1.24V),則計第 2 步選擇滯回電壓 (VHB) 。在本例中 , 選擇滯回電壓為50mV 。第 3 步R1 可按下式計算。對于這個例子 , R1 的值為：第 4 步VIN 上

11、升門限 (VTHR) 的選擇 , 例如：在該門限點 , 當輸入電壓VIN 超過閾值時 , 比較器輸出由低電平變到高電平。本例中, 選擇 VTHR =3V 。第 5 步計算 R2, R2 可按下式計算：本例中 , R2 的值為 44.2k。第 6 步按如下步驟驗證電壓和滯回電壓：VIN 上升門限= 2.992V,等于 VREF 乘以 R1,除以 R1、R2 和 R3 并聯(lián)后的阻值。VIN 下降門限= 2.942V 。因此 , 滯回電壓= VTHR - VTHF = 50mV.最后 , 開漏結(jié)構的比較器內(nèi)部滯回電壓為4mV (MAX9016 、 MAX9018 、 MAX9020),需要外接上拉電

12、阻, 如圖 11 所示。外加滯回可以通過正反饋產(chǎn)生, 但是計算公式與上拉輸出的情況稍有不同。滯回電壓= VTHR - VTHF = 50mV。按如下步驟計算電阻值：第 1 步選擇 R3, 在 IN_+ 端的漏電流小于2nA, 所以通過 R3 的電流至少為0.2 A, 以減小漏電流引起的誤差。R3 可由 R3 = VREF/IR3 或 R3 = (VCC - VREF)/IR3 - R4兩式求得 , 取其較小值。例如, 使用 MAX9118(VREF=1.24V), VCC = 5V, IR3 = 0.2 A, R4 = 1M, 計算結(jié)果為6.2M和 18M, 則 R3 選 6.2M。第 2 步

13、選擇需要的滯回電壓(VHB) 。第 3 步選擇 R1, R1 可按下式計算：在此例中 , R1 為：第 4 步選擇 VIN 上升門限 (VTHR),如下式：在該門限點 , 當輸入電壓VIN 超過閾值時 , 比較器輸出由低電平變到高電平。本例中, 選擇 VTHR =3V 。第 5 步計算 R2, 如下式：本例中 , R2 的值為 49.9k。第 6 步按如下步驟驗證觸發(fā)電壓和滯回電壓：圖 11.在輸出為開漏結(jié)構的比較器中加滯回電路窗口比較器 ”又叫 “雙限比較器 ”，是指在輸入信號的上升沿和下降沿翻轉(zhuǎn)電壓不同的比較器，的值為窗口寬度。兩個電壓之間窗口比較器常用兩個比較器組成（雙比較器），它有兩個

14、閾值電壓 VTHH （高閾值電壓）及 VTHL （低閾值電壓），與 VTHH 及 VTHL 比較的電壓 VA 輸入兩個比較器。若 VTHLVAVTHH ，Vout 輸出高電平；若 VA VTHL ，VA VTHH ，則 Vout 輸出低電平，如圖10 所示。圖10 是一個冰箱報警器電路。冰箱正常工作溫度設為05，（0到 5是一個 “窗口 ”），在此溫度范圍時比較器輸出高電平（表示溫度正常） ；若冰箱溫度低于0V或高于 5，則比較器輸出低電平，此低電平信號電壓輸入微控制器（C）作報警信號。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻RT，已知RT 在 0時阻值為333.1k ；5時阻值為258.3k ，則按1.

15、5V工作電壓及流過R1、RT的電流約1.5uA，可求出R1 的值。 R1 的值確定后，可計算出0時的VA 值為0.5V （按圖10 中 R1=665k 時）， 5時的VA值為0.42V ，則VTHL=0.42V，VTHH=0.5V。若設R2=665k，則按圖11，可求出流過R2、R3、 R4 電阻的電流I=（ 1.5V-0.5V ）/665k =0.0015mA，按R4I/=0.42V ，可求出R4=280k 再按0.5V= （ R3+R4）0.0015mA ，則可求出R3=53.3k 。本例中兩個比較器采用低工作電壓、低功耗、互補輸出雙比較器LT1017 ，無需外接上拉電阻。如果要判別輸入信號電壓ui 是否進入某一定范圍，則可以用圖1（ a）所示的窗口比較器來進行判別。該窗口比較器是由一個反向輸入差動任意電平比較器和另一個同相輸入差動任意電平比較器適當?shù)亟M合而成。假定 UREF1 UREF2 ，則當 ui ui UOM ，D1 、D2 都截止，輸出電壓uo = 0；當 ui U REF1 時，A1和 A2的輸出都是 U UOM ， A2 輸出