模擬電子電路基礎(chǔ) 第三章 電壓比較器、馳張振蕩器及模擬開關(guān)

1、第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)3.1 電壓比較器電壓比較器 3.1.1電壓比較器的基本特性電壓比較器的基本特性 電壓比較器的功能是比較兩個(gè)輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。 高電平相當(dāng)于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當(dāng)于邏輯“0”。 比較器輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態(tài)。注意：注意：在運(yùn)算電路中所使用的在運(yùn)算電路中所使用的“虛地虛地”概念在非概念在非線性條件下不滿足；只在臨界狀態(tài)時(shí)才可使用。線性條件下不滿足；只在臨界狀態(tài)時(shí)才可使用。第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器

2、及模擬開關(guān)uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鑒別不靈敏區(qū)(a)(b)圖3.1.1 電壓比較器的符號及傳輸特性第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 1. 高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL) 電壓比較器可以用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專用芯片構(gòu)成。用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負(fù)電源電壓(-UEE)。 專用比較器的輸出電平一般與數(shù)字電路兼容，即 UoH3.4V左右， UoL0.4V左右。 2.鑒別靈敏度鑒別靈敏度 在實(shí)際電路中，集成運(yùn)放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附

3、近的一個(gè)很小范圍內(nèi)存在著一個(gè)比較器的不靈敏區(qū)。如圖3.1.1(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非UoL，故無法實(shí)現(xiàn)對輸入電平大小進(jìn)行判別。 Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是比較器的另一個(gè)重要特性，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。 比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)，SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模

4、擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.1.2 電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用簡單比較器簡單比較器 1.過零比較器過零比較器 令參考電平令參考電平ur=0。 若若Ui 0，uo =UoL 若若Ui0，uo =UoH 這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形整形”，將不規(guī)則的輸入將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。波形整形成規(guī)則的矩形波。 問題：若參考電平問題：若參考電平ur0。而是接參考電壓而是接參考電壓UREF，輸出，輸出波形會有什么樣的變化？波形會有什么樣的變化？第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振

5、蕩器及模擬開關(guān) 圖3.1.2過零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)【例 3.1.1】電路及輸入信號波形 分別如圖3.1.3(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容，試分別畫出 和 的波形圖。 iu1ou2ou第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.1.3遲滯比較器遲滯比較器正反饋比較器正反饋比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1.簡單比較器應(yīng)用中存在的問題簡單比較器

6、應(yīng)用中存在的問題 一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受比較器翻轉(zhuǎn)速度（壓擺率SR）的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖3.1.5(a)所示)； 二是抗干擾能力差，如圖3.1.5(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來。如果對受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會多出許多，從而造成極大的誤差。第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)圖3.1.5 簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭 (b)受干擾情況第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬

7、開關(guān) 2.遲滯比較器電路及傳輸特性遲滯比較器電路及傳輸特性 為了解決以上兩個(gè)問題，為了解決以上兩個(gè)問題，可將比較可將比較器設(shè)置兩個(gè)閾值，只要干擾信號不超過器設(shè)置兩個(gè)閾值，只要干擾信號不超過這兩個(gè)閾值，比較器就不會跳變，從而這兩個(gè)閾值，比較器就不會跳變，從而提高比較器的抗干擾能力。利用這種思提高比較器的抗干擾能力。利用這種思想設(shè)計(jì)出來的電壓比較器稱為遲滯比較想設(shè)計(jì)出來的電壓比較器稱為遲滯比較器，或稱施密特觸發(fā)器。電路是在簡單器，或稱施密特觸發(fā)器。電路是在簡單比較器基礎(chǔ)上增加了正反饋電路實(shí)現(xiàn)的。比較器基礎(chǔ)上增加了正反饋電路實(shí)現(xiàn)的。正反饋也加快了翻轉(zhuǎn)速度。正反饋也加快了翻轉(zhuǎn)速度。 第第3章章 電壓比

8、較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)211RRRUUFof正OHrHURRRU211 1)反向輸入的遲滯比較器反向輸入的遲滯比較器 R2將將uo反饋到運(yùn)放的同相端與反饋到運(yùn)放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)其正反饋系數(shù)F為為上門限電壓上門限電壓下門限電壓下門限電壓OLrLURRRU211 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)該電路傳輸特性分析： 因?yàn)樾盘柤釉谶\(yùn)放反相端，所以ui為負(fù)時(shí)，uo必為正，且等于高電平UoH=UCC。此時(shí)，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:CCoHoHfrURRRURRRUFUU2

9、1121111正(3.1.2) 當(dāng)ui由負(fù)逐漸向正變化，且ui =Uf=Ur1時(shí)，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱uo從高到低所對應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電壓，記為UTH。即CCoHrTHURRRURRRUU2112111(3.1.3)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 而后，ui再增大，uo將維持在低電平。注意此時(shí)比較器的參考電壓Ur也將發(fā)生變化，即EEoLoLfrURRRURRRUFUU21121122)(正(3.1.4) 可見，當(dāng)ui由正變負(fù)的比較電平將是Ur2(負(fù)值)，故只有當(dāng)ui變得比Ur2更負(fù)時(shí)，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電

10、壓，記為UTL，即 EEoLrTLURRRURRRUU2112112(3.1.5) 特點(diǎn)：輸出端特點(diǎn)：輸出端從高電平跳變到低電平從高電平跳變到低電平對應(yīng)的閾值電對應(yīng)的閾值電壓與壓與從低電平跳變到高電平從低電平跳變到高電平對應(yīng)的閾值電壓對應(yīng)的閾值電壓不同不同！第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如圖3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，因此稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用U表示： CCTLTHURRRUUU2112(3.1.6) 正是由于回差的存在，才提高了比較器的抗干擾

11、能力。第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，當(dāng)ui上疊加有干擾信號時(shí)，只要該干擾信號的幅度不大于回差U，則該干擾的存在就不會導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯(cuò)誤跳變。 應(yīng)該指出，回差U的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)圖3.1.7遲滯比較器輸出波形第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 2)同相輸入遲滯比較器 電路如圖3.1

12、.8(a)所示，信號與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)同相端電壓U+=U-=0時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為 (3.1.7) (3.1.8) CCoHTLEEoLTHURRURRUURRURRU21212121第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。 遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個(gè)狀態(tài)，且具有記憶功能。 圖3.1.8同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性 (a)電路；(b)傳輸特性曲線第第3章章 電壓

13、比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)【例 3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖3.1.9(b)所示，試畫出uo1 、uo2的波形圖。圖 3.1.9 電路圖與波形圖第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)解： A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特性如圖3.1.10(a)、(b)所示。)(sin8sin6 . 1551Vttuuio波形如圖3.1.9(c) 所示。VUVUKKKUTLCCTH66101010波形如圖3.1.9(d) 所示。圖3.1.10 A1、A2傳輸特性第第3章章 電壓比較器

14、、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.2 弛張振蕩器弛張振蕩器 弛張振蕩器即方波三角波產(chǎn)生器。對于方波信號發(fā)生器，其狀態(tài)有時(shí)維持不變，而有時(shí)則發(fā)生突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號發(fā)生器稱之為弛張振蕩器。 弛張振蕩器必須是一個(gè)正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態(tài)記憶電路;另一部分是定時(shí)電路，即控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的電路。如圖3.2.1所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用積分器作為定時(shí)電路。 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)狀態(tài)記憶單元定時(shí)單元圖3.2.1 弛張振蕩器框圖第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及

15、模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.2.1單運(yùn)放弛張振蕩器單運(yùn)放弛張振蕩器 單運(yùn)放將狀態(tài)記憶電路和定時(shí)電路集中在一起，如圖3.2.2(a)所示，其中帶正反饋的運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時(shí)電路。其波形如圖3.2.2(b)所示。圖3.2.2 單運(yùn)放弛張振蕩器電路及波形第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。此時(shí)，運(yùn)放同相端電壓U+為CCoHoHURRRURRRUFU212212正(3.2.1) 該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC

16、上升到該電平值時(shí)，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時(shí)的U+記為高門限電壓UTH：212THoHoHRUF UURR正(3.2.2)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 一旦Uo變?yōu)榈碗娖剑娙蓍_始放電，后又反充電，uC以指數(shù)規(guī)律下降，并趨向UoL。但是，因?yàn)榇藭r(shí)的U+變?yōu)榱硪粋€(gè)參考電平(下門限電壓) 2122oLEEoppoHoLCCRUF UURRUUUU 正 當(dāng)uC下降到UTL時(shí)，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復(fù)始，運(yùn)放輸出為方波，其峰峰值為 (3.2.3) (3.2.4) 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩

17、器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為2122CppTHTLCCRUUUURR(3.2.5) 因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姇r(shí)常數(shù)均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。 現(xiàn)在來計(jì)算振蕩頻率f0。首先計(jì)算時(shí)間T1。如圖3.2.2(b)所示，根據(jù)三要素法，電容電壓uC(t)為tCCCCeUUUtu)0()()()(3.2.6) 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)212211120( )CoHCCCTLoLCTHoHUUURUUURRRCRtTuTUURR 趨向值： （ ）初始值： （ ）時(shí)常值：轉(zhuǎn)換值

18、：當(dāng)時(shí)，(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得THoHTLoHUUUUTln2第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 改變時(shí)常數(shù)RC及正反饋系數(shù)， 比值均可改變振蕩頻率。00202111,2122ln(1)ffTTfRRCR振蕩頻率故 為(3.2.8) 21RR即第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 3.2.2雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器 如圖3.2.3所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。 A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過來三

19、角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成振蕩，其波形如圖3.2.4所示。 圖3.2.3 雙運(yùn)放方波三角波振蕩器 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)圖3.2.4 雙運(yùn)放方波三角波振蕩器輸出波形 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 1.uo1和和uo2幅度的計(jì)算幅度的計(jì)算 1)uo1的幅度 由圖可見，uo1的高電平UoH=UCC，低電平UoL=-UEE，所以其峰峰值為2oLppCCUU(3.2.9) uo2為三角波。當(dāng)uo1為高電平時(shí)，C充電，充電電流 (為電位器RW的分壓比)，uo2隨時(shí)間線性下降。再看A1

20、，其反相端接地，當(dāng)U+過零時(shí)， A1輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，而U+等于uo1和uo2的疊加，即RUioHC第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)122121211022220oHoo moHCCRRUUUURRRRRRuUUURR 2) uo2的幅度 同理，當(dāng)uo2為低電平時(shí)，C反充電，充電電流 ，uo2隨時(shí)間線性上升，當(dāng)U+再次過零時(shí)，算出RUioLC第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)12212121102022212202oLomoLEEo ppCCRRUUuURRRRRRuUUURRRUUR (3.2.10)第第3章章

21、 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 2. 頻率頻率f0的計(jì)算的計(jì)算 我們知道，在T1時(shí)間間隔內(nèi)，電容C的電壓增量 由式UC=Q/C計(jì)算得 122CCCRUUCCCCCURQUUi dtTRCCCRRCRTRRfTTRCR(3.2.11) 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)3.3 單片集成專用電壓比較器單片集成專用電壓比較器1.通用低速型(LM311/211/111)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)2.通用型/中速型(LM119)第第3章章

22、 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)3.高精度/低失調(diào)/低功耗(LM339/239/139)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)4.高速/低功耗(MAX901903)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān) 【例3.3.1】由單片集成電壓比較器LM311構(gòu)成的整形電路如圖3.3.1(a)。LM311的輸出電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信號，試問輸出波形將有何變化。 UCCUEEuo(a)u iLM3112kf i0uot

23、0uot0uot fi11kHz fi21MHz fi35MHz(b)784 圖3.3.1電壓比較器和輸出波形(a)電路；(b)對應(yīng)不同信號頻率的輸出波形 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)解解(1)對于fi1 =1kHz的輸入信號，比較器的輸出為方波。 (2)對于fi2 =1MHz的輸入信號，比較器的轉(zhuǎn)換時(shí)間將對波形有較大影響，其輸出方波的邊緣已經(jīng)很差(如圖3.3.1(b)所示)。 (3)對于fi3=5MHz的信號，其周期為200ns，半個(gè)周期時(shí)間為100ns，已經(jīng)少于比較器的轉(zhuǎn)換時(shí)間(200ns)，所以比較器的狀態(tài)根本來不及翻轉(zhuǎn)，故輸出波形為一不變

24、的直線(如圖3.3.1(b)所示) 。 所以，我們在使用器件時(shí)，一定要注意器件的特性是否滿足我們的實(shí)際需要。 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)3.4 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 模擬開關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來控制信號的通斷。一個(gè)理想的模擬開關(guān)，應(yīng)接通時(shí)相當(dāng)于短路，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于開路，工作速度要快，各開關(guān)間的隔離度要好。模擬開關(guān)可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可以用MOS場效應(yīng)管構(gòu)成。CMOS模擬開關(guān)具有電路簡單、功耗小、導(dǎo)通電阻小、關(guān)斷電阻大等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)(a)(b)IN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTC1C2C3C4OUT/INOUT/INOUT/INOUT/INS1S2S3S41411321211109834567S1S2S4S3C2C3UDDC1C4地 圖3.4.1 CC4046四雙向模擬開關(guān)1.CC4066模擬開關(guān)模擬開關(guān)3.4.1 常用模擬開關(guān)常用模擬開關(guān)第第3章章 電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關(guān)電壓比較器、弛