信號(hào)處理電路

7信號(hào)處理電路7.2濾波電路7.1

基本運(yùn)算電路7.3

電壓比較電路

教學(xué)基本要求：1、基本運(yùn)算電路有哪幾種？各運(yùn)算電路需要注意什么問題？2、何為有源濾波器？與無源濾波器相比有什么優(yōu)點(diǎn)？3、何為比較器？比較器有哪些應(yīng)用？武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.1

基本運(yùn)算電路7.1.1

加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路就是在放大電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)或多個(gè)輸入端所構(gòu)成的多輸入放大電路如圖7.1.1和圖7.1.2所示。圖7.1.1同相加法運(yùn)算電路圖7.1.2反相加法運(yùn)算電路武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.1.1

加法運(yùn)算電路1、同相加法運(yùn)算電路根據(jù)虛短和虛斷的概念利用疊加原理，實(shí)現(xiàn)的加法運(yùn)算：當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，可簡化為：

uo=ui1+ui2

同相輸入信號(hào)會(huì)形成共模信號(hào)，up較大時(shí)會(huì)影響運(yùn)算精度。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、反相加法運(yùn)算電路根據(jù)虛短和虛斷的概念利用節(jié)點(diǎn)電流求和，實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算：i3=i1+i2當(dāng)R1=R2=R3時(shí)，可簡化為：

uo=－（ui1+ui2）反相輸入時(shí)up等于0，故這里的虛短也稱虛地。

由于運(yùn)放的兩個(gè)輸入端共模信號(hào)很小，反相加法運(yùn)算電路比同相加法運(yùn)算電路運(yùn)算精度高。實(shí)際加法電路多為反相加法電路武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.1.2

減法運(yùn)算電路1、利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算或者說是利用疊加原理，將正、反相比例運(yùn)算經(jīng)過疊加實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算：

令ui1=0，輸出電壓為：

令ui2=0，輸出電壓為：

疊加后，輸出電壓為：

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ1、利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算

當(dāng)R1=R2、R3=R4時(shí)，可簡化為：

當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，可簡化為：

該減法電路可能存在兩個(gè)問題：當(dāng)比例系數(shù)較為復(fù)雜時(shí)，電阻參數(shù)不好選擇；當(dāng)輸入信號(hào)形成較大共模信號(hào)時(shí)，運(yùn)算精度會(huì)受影響。在該電路的基礎(chǔ)上增加輸入端可以構(gòu)成加、減混合運(yùn)算電路武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、利用反相器及加法電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算該減法電路雖多用了一個(gè)運(yùn)放，但運(yùn)算精度一般比較高。在此基礎(chǔ)構(gòu)成的加、減混合運(yùn)算，電阻元件選擇相對(duì)方便。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ思考題：如何實(shí)現(xiàn)圖示的波形變換？某電路的輸入波形輸出波形波形有兩種變化：一是反相；二是推高。

思路一：用反相電路和同相加法電路來共同完成。思路二：用反相加法電路完成。啟示：實(shí)際是一直流信號(hào)與交流信號(hào)的相減，故用減法電路也可完成。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ例題：

求圖7.1.6所示集成儀用放大電路的增益，說明電路中外接電阻R1的作用。解：

A1、A2運(yùn)放構(gòu)成的是大差動(dòng)電路，運(yùn)用虛短和虛斷概念

減法電路的輸出電壓為：

放大電路總的增益為：R1選擇不同的阻值可以調(diào)節(jié)放大電路的增益。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.1.3積分運(yùn)算電路利用電容電壓與電容電流之間的積分關(guān)系實(shí)現(xiàn)的積分運(yùn)算。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得i2=i1電容器被充電，其充電電流為設(shè)電容器C的初始電壓為零，則武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ式中

RC為積分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)uI為階躍電壓時(shí)，有uO與

t

成線性關(guān)系

時(shí)間常數(shù)大，輸出電壓變化慢，積分器可保持較長時(shí)間的積分關(guān)系。當(dāng)輸出電壓達(dá)到運(yùn)放的飽和電壓時(shí)，積分停止，輸出保持不變uO=﹣UOmax。

思考1：積分電路存在什么不足？武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ思考2：如何設(shè)置積分電路的初值？1)輸入為階躍信號(hào)線性積分，延時(shí)積分電路的應(yīng)用例如延時(shí)報(bào)警2)輸入為正弦波移相正弦變余弦uo=cos

t/

RC

3)輸入為方波波形變換方波變?nèi)遣ㄎ錆h大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.1.4微分運(yùn)算電路微分與積分互為逆運(yùn)算，將積分電路中的電阻和電容對(duì)調(diào)位置即為微分運(yùn)算電路。根據(jù)虛地和虛斷的概念，則其表達(dá)式當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，微分電路的輸出為尖頂脈沖波。

如果輸入是正弦信號(hào)ui=sin

t，則輸出信號(hào)uo=﹣RCcost

。說明微分電路易受高頻信號(hào)干擾。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.2有源濾波電路7.2.1濾波電路的基本概念與分類1、基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制或衰減無用頻率信號(hào)的電子裝置。無源濾波器：是由基本元件電阻R、電感L和電容C構(gòu)成的濾波電路稱為無源濾波器。LC濾波器主要用于高頻濾波，RC濾波器主要用于低頻濾波。有源濾波器：則是由RC無源濾波器及有源器件(晶體管、運(yùn)放)

構(gòu)成的濾波器。濾波器作用武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.2.1濾波電路的基本概念與分類1、基本概念濾波器的輸入與輸出，可用傳遞函數(shù)來描述：

RC濾波電路的輸出信號(hào)，大小與容抗值有關(guān)，容抗值的大小又與信號(hào)頻率有關(guān)。頻率低容抗值大，即低頻信號(hào)容易通過；頻率高容抗值小，即高頻信號(hào)不容易通過。故該濾波電路為低通濾波電路。也可用頻率響應(yīng)來描述：s=j

=j2

f

式中

H=1/RC，fH=1/2RC。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ1、基本概念RC低通濾波器幅頻響應(yīng)空載時(shí)，通帶增益：Ao=1

上限頻率：fH=1/2RC有載時(shí)，通帶增益：上限頻率：增益帶寬積為常數(shù)：A·BW=1/2RC無源濾波器缺點(diǎn)：增益和帶寬易受負(fù)載值大小的影響?？蛰d時(shí)帶負(fù)載時(shí)武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ1、基本概念RC低通濾波器幅頻響應(yīng)采用有源濾波器可以克服這一缺點(diǎn)，在提高增益的同時(shí)不降低帶寬。對(duì)于幅頻響應(yīng)，通常把能夠順利通過的信號(hào)頻率范圍定義為通帶

而把受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍稱為阻帶

通帶和阻帶的界限頻率稱為截止頻率

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、濾波電路的分類按幅頻特性的不同，濾波電路可分以下幾種：低通濾波電路(簡稱LPF)：

H的低頻信號(hào)可以順利通過，對(duì)大于H的高頻信號(hào)則給予衰減。

高通濾波電路(HPF)：0

L范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于L的頻率為通帶。阻容耦合可兼顧低頻濾波武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、濾波電路的分類帶通濾波電路(BPF)：

L為低邊截止角頻率，H為高邊截止角頻率，O為中心角頻率。阻帶有兩個(gè)：0

L和H

，

通帶為H﹣L。主要用于通信電路帶阻濾波電路(BEF)：它有兩個(gè)通帶：0

H和L，一個(gè)阻帶：H

L?？挂阎l率的干擾武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、濾波電路的分類全通濾波器（APF）：f-φ轉(zhuǎn)換沒有阻帶，顯然不是用于衰減信號(hào)的。

利用全通濾波器中的電容，可實(shí)現(xiàn)頻率－相角的轉(zhuǎn)換。

全通濾波器具體電路可參考其它教材，這里不做進(jìn)一步討論。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ以低通濾波器（LPF）為例通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無過渡帶3、濾波電路的研究內(nèi)容從濾波電路的幅頻響應(yīng)看，通帶和阻帶之間還存在一過渡帶。

濾波電路主要研究的三個(gè)內(nèi)容：通帶增益、截止頻率及過渡帶增益下降速率。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ3、濾波電路的研究內(nèi)容根據(jù)濾波電路側(cè)重點(diǎn)的不同，濾波電路可分為：

巴特沃思、切比雪夫和貝塞爾三種濾波電路。

巴特沃思濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但從通帶到阻帶衰減較慢。

切比雪夫?yàn)V波電路過渡帶衰減迅速，但通帶中有一定的文波。

貝塞爾濾波電路著重相頻響應(yīng)，可得失真較小的波形。

濾波電路按其傳遞函數(shù)分母中S的最高指數(shù)，可分為：一階濾波電路、二階濾波電路和高階濾波電路，階數(shù)越高下降速率越快，濾波效果越好。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.2.2一階有源濾波電路1、一階低通有源濾波電路

通帶增益：

傳遞函數(shù)：

式中

C=1/RC，

C稱為特征角頻率。

經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)一階LPF截止角頻率：

H=C

=

1/RC。

截止頻率：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ1、一階低通有源濾波電路幅頻響應(yīng)：

2、一階高通有源濾波電路

將低通濾波器中的R和C對(duì)調(diào)一下位置，便得一階高通有源濾波電路。幅頻響應(yīng)：

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ*反相輸入低通濾波器積分運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)為加R2后，f→0，C斷開，通帶放大倍數(shù)，武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對(duì)濾波要求不高的場合。

兩個(gè)一階濾波電路可以構(gòu)成二階濾波電路，兩個(gè)二階濾波電路則可構(gòu)成四階濾波電路。下面主要討論二階低通、高通、帶通和帶阻濾波電路。一階濾波電路只有低通和高通兩種。

注意：公式推導(dǎo)不是討論的重點(diǎn)，重點(diǎn)是濾波電路的特點(diǎn)及選用。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.2.3二階有源濾波電路1、二階低通有源濾波電路LPF

在一階低通有源濾波電路的基礎(chǔ)上，增加一RC低通濾波電路就可構(gòu)成二階低通有源濾波電路。幅頻響應(yīng)截止頻率fH

≈0.37fc1)一般有源二階LPF武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

從幅頻響應(yīng)看，二階低通濾波電路過渡帶的增益下降速率是一階的兩倍，但通帶變窄了截止角頻率

H=0.37

C。

若兩個(gè)RC低通濾波電路選擇不同參數(shù)，可保證通帶基本不變，但過渡帶仍有一段是以-20dB/十倍頻程衰減，濾波效果改善不是太明顯。引入正反饋

如何能做到不降低帶寬，又使過渡帶減小呢？

可使fH=fC，且在f=fC時(shí)幅頻特性按－40dB/十倍頻下降。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2)壓控電壓源二階LPF

f→0時(shí)，C1斷路，正反饋斷開，通帶增益AO=AUF=1+R2/R1

。

f→∞，C2短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)小→0，高頻信號(hào)被抑制。正反饋的引入對(duì)通帶和阻帶影響不大。對(duì)過渡帶有什么影響？濾波電路輸出電壓：Uo(s)

=AUFUP(s)

UP(s)與UM(s)的關(guān)系：

UP(s)

=UM(s)/(1+sRC)

對(duì)于M節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用KCL可得：

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ聯(lián)立求解，可得電路的傳遞函數(shù)：

通帶增益：AO=AUF；特征角頻率：

C=1/RC；等效品質(zhì)因數(shù)：Q=1/(3AUF)。

得傳遞函數(shù)另一表達(dá)式：

歸一化幅頻響應(yīng)：

相頻響應(yīng):武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

①當(dāng)AO=AUF=3時(shí)，Q=1/(3AUF)

=∞，電路將產(chǎn)生自激振蕩，故濾波電路通帶增益必須小于3，才能保證電路穩(wěn)定工作。

②當(dāng)Q=

0.707時(shí)(AO=1.586)，幅頻響應(yīng)最為平坦，截止角頻率

H=C，此時(shí)的二階低通濾波電路也可稱為二階巴特沃思低通濾波電路。

幅頻響應(yīng)討論：不同Q值下的幅頻響應(yīng)

③低通濾波電路中的電阻和電容選擇不同的值，可得到不同的頻率響應(yīng)曲線，若要獲得工程使用上的巴特沃思、切比雪夫和貝塞爾濾波電路，則需借助查表式軟件計(jì)算來確定元件參數(shù)。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

④截止角頻率與特征角頻率相等是巴特沃思低通、高通濾波電路的一個(gè)特點(diǎn)，n階巴特沃思低通濾波電路的傳遞函數(shù)為：式中n為濾波電路階數(shù)，通帶總增益AO，查表選擇各級(jí)增益可使特征角頻率

C=H。不同階數(shù)巴特沃思低通濾波電路的幅頻響應(yīng)：

隨著階數(shù)的增加，其幅頻特性將向理想特性逼近。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ例7.2.1

解：巴特沃思低通濾波電路的特征角頻率

n與截止角頻率

c相等，特征角頻率

n與時(shí)間常數(shù)RC成反比。若濾波電容參數(shù)選用0.033uF，則濾波電阻取值約為武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZKΩ實(shí)際電阻可選標(biāo)準(zhǔn)電阻R=4.7KΩ，這可能導(dǎo)致實(shí)際截止頻率略高于1KHz。若想縮小誤差，可在4.7KΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻中精選最為接近的電阻；或再串接一120Ω固定電阻；或再串接一小的可調(diào)電阻。電路如圖所示,截止頻率fc為1KHz時(shí)，確定2階巴特沃思低通濾波電路中的電阻和電容參數(shù)。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ實(shí)際R2電阻可選用R=12KΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻。查表可知2階巴特沃思低通濾波電路的增益AO為1.586，同相放大電路中的R1和R2阻值相差近兩倍，若R1選用20KΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，根據(jù)式，R2電阻取值約為R2=（AO－1）R1=(1.586－1)×20KΩ=11.72KΩ若考慮輸入平衡，最好選用R1=26KΩ、R2=15KΩ標(biāo)準(zhǔn)。將低通電路中的電容和電阻對(duì)換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)：歸一化的幅頻響應(yīng)：2、二階高通有源濾波電路HPF

HPF和LPF在電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)和幅頻響應(yīng)上均存在對(duì)偶關(guān)系。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ幅頻響應(yīng)曲線：不同Q值下的幅頻響應(yīng)n階巴特沃思高通濾波電路傳遞函數(shù)：

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ例7.2.2

解：（1）濾波電路參數(shù)確定武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

電容參數(shù)一般宜選擇微法數(shù)量級(jí)以下，電阻參數(shù)宜選擇在幾百千歐以下?，F(xiàn)選用0.33uF的電容，則電阻阻值為KΩ選用標(biāo)準(zhǔn)電阻4.7KΩ和120Ω。電阻參數(shù)R=4.7KΩ+120Ω=4.82KΩ。

四階巴特沃思高通濾波電路如圖所示,截止頻率fc為100Hz。試確定該有源濾波電路中的電阻和電容參數(shù)。說明如何修改電路使其成為四階巴特沃思低通濾波電路？武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

（2）第一級(jí)放大電路參數(shù)確定R12=（Auf1－1）R11=(1.152－1)×36KΩ=5.472KΩ查表可知四階巴特沃思高通濾波電路第一級(jí)增益Auf1為1.152，同相放大電路中的R11選用36KΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，根據(jù)式，R12電阻取值約為R12選用標(biāo)準(zhǔn)電阻5.6KΩ。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ（3）第二級(jí)放大電路參數(shù)確定R22=（Auf2－1）R21=(2.235－1)×11KΩ=13.585KΩ查表可知四階巴特沃思高通濾波電路第一級(jí)增益Auf2為2.235，同相放大電路中的R21選用11KΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，根據(jù)式，R22電阻取值約為R22選用標(biāo)準(zhǔn)電阻14KΩ。（4）電路修改

對(duì)調(diào)濾波電路中的電阻和電容位置，即可獲得截止頻率fc為100Hz的四階巴特沃思低通濾波電路。1）帶通電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通截止角頻率高通截止角頻率3、二階帶通和帶阻濾波電路帶通濾波電路可由高通、低通濾波電路串聯(lián)獲得，條件是通帶有重疊部分

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2）二階有源帶通濾波電路

傳遞函數(shù)：

令通帶增益AO=AUF/(3

AUF)，中心角頻率

O=1/RC，等效品質(zhì)因數(shù)Q=1/(3AUF)。則歸一化幅頻響應(yīng)：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2）二階有源帶通濾波電路

歸一化幅頻響應(yīng)：不同Q值下的帶通幅頻響應(yīng)

Q值越大，帶寬BW=

O

/(2Q)=fo/Q越窄，選頻特性越好。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足3）二階帶阻濾波電路低通截止角頻率高通截止角頻率帶通濾波電路可由高通、低通濾波電路并聯(lián)獲得，條件是阻帶有重疊部分

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ3）二階帶阻濾波電路雙T帶阻濾波電路:傳遞函數(shù)：令通帶增益AO=AUF，中心角頻率

O=1/RC，等效品質(zhì)因數(shù)Q=1/(42AUF)。則

歸一化幅頻響應(yīng)：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ帶阻濾波電路的幅頻特性：*二階全通濾波電路如何組成？全通濾波電路可由高通、低通濾波電路并聯(lián)獲得，條件是阻帶無重疊部分

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ例7.2.3

解：（1）第一級(jí)是一個(gè)二階低通濾波電路，特征頻率為

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ四階有源濾波電路如圖所示。說明該有源濾波電路為何種濾波電路？如何修改電路使其成為四階巴特沃思帶阻濾波電路？

通帶增益為：

Au1=1+R12÷R11=1+10KΩ÷17KΩ=1.588武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

（2）第二級(jí)是一個(gè)二階高通濾波電路，特征頻率為

從增益看Au1約為1.586，滿足二階巴特沃思低通濾波電路對(duì)增益的要求。故第一級(jí)為二階巴特沃思低通濾波電路，截止頻率fc1為1KHz。通帶增益Au2也約為1.586，滿足二階巴特沃思高通濾波電路對(duì)增益的要求。故第二級(jí)為二階巴特沃思高通濾波電路，截止頻率fc2為100Hz。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ（3）電路修改

第一級(jí)和第二級(jí)共同構(gòu)成四階巴特沃思帶通濾波電路，通頻帶為100Hz～1KHz。將第一級(jí)和第二級(jí)中的電容互換，使第一級(jí)截止頻率fc1變?yōu)?00Hz的二階巴特沃思低通濾波電路，使第二級(jí)截止頻率fc2變?yōu)?KHz的二階巴特沃思高通濾波電路。將第一級(jí)和第二級(jí)串聯(lián)斷開，利用加法電路將兩濾波電路的輸出合二為一，即可實(shí)現(xiàn)四階巴特沃思帶阻濾波電路，阻帶頻率范圍為100Hz～1KHz。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ四階巴特沃思帶阻濾波電路，阻帶為100Hz～1KHz。雙T網(wǎng)絡(luò)A1組成HPF電路為LPF討論：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ1、在信號(hào)處理電路中，當(dāng)有用信號(hào)頻率低于10Hz時(shí)，可選用()濾波器；有用信號(hào)頻率為某一固定頻率，可選用()濾波器。2、在信號(hào)處理電路中，當(dāng)有用信號(hào)頻率高于10kHz時(shí)，可選用()濾波器；希望抑制50Hz的交流電源干擾時(shí)，最好選用()濾波器。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.3電壓比較電路電壓比較電路簡稱比較器常用符號(hào)C表示

1、電壓比較器的功能：比較電壓的大小。

廣泛用于各種報(bào)警電路。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u(píng)O＝f(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UOL2)閾值電壓UT3)輸入電壓過閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向7.3.1電壓比較電路的概念與分類武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ3、集成運(yùn)放的非線性工作區(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02)uP>uN時(shí)，

uO＝UOH≈+VCC；

uP<uN時(shí)，

uO＝UOL≈-VCC

。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ4、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，輸入電壓單調(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，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷何錆h大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ

比較器有各種不同的類型。對(duì)它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動(dòng)作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。其中靈敏度和響應(yīng)時(shí)間是比較器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)最重要的兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。

比較器可以將任意波形轉(zhuǎn)換成矩形波，它是測量電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)、方波發(fā)生、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等電路中常用的基本單元電路。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.3.2單門限電壓比較器1、比較器電路及傳輸特性特點(diǎn)：開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105當(dāng)輸入電壓uI>UREF時(shí)：輸出高電平UOH當(dāng)輸入電壓uI

UREF時(shí)：輸出低電平UOL當(dāng)輸入電壓uI≈

UREF時(shí)：輸出產(chǎn)生跳變當(dāng)UREF=0時(shí)：稱過零比較器跳變時(shí)：短暫虛短uI=

UREF武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ解：例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)UTH，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為UOH和UOL。

利用疊加原理及虛斷概念可得：理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)有虛短uP＝uN＝0，即門限電壓武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、波形變換比較器除了對(duì)兩輸入電壓進(jìn)行比較外，還常用于波形變換。

反相過零比較器理想電壓傳輸特性輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ例題：解：

設(shè)圖示比較器的工作電源為±12V，輸入電壓uI為峰值6V的三角波，運(yùn)放為理想器件。當(dāng)參考電壓UREF=0V、+2V和-4V時(shí)，輸出信號(hào)有什么不同？該比較器為同相比較器，其電壓傳輸特性：

(a)UREF＝0時(shí)(b)UREF＝2V時(shí)

(c)UREF＝－4V時(shí)輸出為方波信號(hào)，隨參考電壓的不同，占空比將發(fā)生變化。

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ若三角波已知，則可通過占空比得參考電壓的大小。見例7.3.1

3、比較器電路的完善為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。為防止集成運(yùn)放的損壞，可以在輸入回路中串接電阻，在集成運(yùn)放的兩輸入端之間并聯(lián)兩個(gè)保護(hù)二極管。

UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝UZ

;UOL≈0

UOH≈

VCC

;UOL≈0

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ7.3.3雙門限電壓比較器一是使用高增益運(yùn)放，縮小線性區(qū)。二是引入正反饋提高閉環(huán)增益，縮小線性區(qū)。如果希望提高比較器的靈敏度，常采用如下兩種方法：

引入正反饋后，受輸出高、低電平的影響，uP門限電壓由一個(gè)變成了兩個(gè)，故引入正反饋后的比較器稱為雙門限比較器。1、遲滯比較器電路組成武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ根據(jù)疊加原理及虛斷概念：門限電壓的計(jì)算：

當(dāng)輸入電壓uI

uP時(shí)，輸出為高電平UOH上門限電壓：為輸入由小變大觸發(fā)輸出躍變的門限電壓。

當(dāng)輸入電壓uI

uP時(shí)，輸出為低電平UOL下門限電壓：為輸入由大變小觸發(fā)輸出躍變的門限電壓。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ傳輸特性：

當(dāng)輸入電壓uI

UT+時(shí)，輸出為高電平UOH。當(dāng)輸入電壓uI

UT-時(shí)，輸出為低電平UOL。輸入由小變大，當(dāng)輸入電壓uI=UT+時(shí)，觸發(fā)輸出躍變。輸入由大變小，當(dāng)輸入電壓uI=UT-時(shí)，觸發(fā)輸出躍變。傳輸特性具有遲滯特性，故又稱遲滯比較器。

回差電壓：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖示輸入信號(hào)下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性根據(jù)電路可知：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ2、窗口比較器

當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=UOM,D1導(dǎo)通；

uO2=–

UOM，D2截止。uO=UZ。

當(dāng)uI<URL時(shí)，uO1=–

UOM,D1截止；uO2=–

UOM，D2導(dǎo)通。uO=UZ。

當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，uO1=uO2=–UOM，D1、D2均截止；uO=0。武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ3、集成比較器武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ若要減小比較器的響應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)速度，應(yīng)選用專用比較器芯片。

集成電壓比較器的輸出通常工作在高、低電平這兩種狀態(tài)之一，不追求過高的增益，也不采用頻率補(bǔ)償電容，故集成電壓比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間特別短，代價(jià)是靈敏度降低了。集成電壓比較器的型號(hào)很多，可分為高速和超高速兩種。根據(jù)輸出方式不同，也可分成普通輸出、集電極開路輸出和互補(bǔ)輸出三種。特點(diǎn)：1、可無需限幅電路，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。3、集成比較器某型號(hào)集成比較器的等效電路武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院YTZ3