第7章2-(71)-简单电压比较器-迟滞比较器-窗口比较器.ppt

1 7 4 1简单电压比较器 7 4 2迟滞比较器 7 4集成运放的非线性应用 7 4 3窗口比较器 概述 2 Ao越大 运放的线性范围越小 输入大于 则输出uo要么为 UOM 要么为 UOM 线性放大区 复习 3 概述运放的非线性应用1 电路中的运放处于非线性状态 比如 运放开环应用 运放开环 有正反馈时 处于非线性状态 4 ui 0时 ui 0时 2 电路中的运放处于线性状态 但外围电路有非线性元件 二极管 三极管 稳压管等 D导通 D截止 5 由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同 所以分析电路前 首先确定运放是否工作在线性区 确定运放工作区的方法 判断电路中有无负反馈 若有负反馈 则运放工作在线性区 若无负反馈 或有正反馈 则运放工作在非线性区 处于非线性状态运放的特点 1 虚短路不成立 2 ri仍可以认为很大 3 rO 0 3 电路中的运放处于非线性状态 外围电路也有非线性元件 二极管 三极管 6 运放处于线性状态 但外围电路有非线性元件 稳压二极管 R 限流电阻 一般取100 DZ双向稳压管 例 限幅器 7 当时 在双向稳压管的作用下 当时 双向稳压管不通 运放工作在线性状态 另一种形式的限幅器 双向稳压管接于负反馈回路上 反向比例运算电路 8 传输特性 9 由于稳压管被反向击穿时 将引入一个深度负反馈 此时集成运放工作在线性区 且其反相输入端 虚地 uo t 过零附近运放仍处于线性区 10 电压比较器的主要作用是进行电平检测 7 4 1简单电压比较器 利用电压比较器进行电平检测波形示意图 11 功能 比较两个电压的大小 用输出电压的高或低电平 表示两个输入电压的大小关系 用途 可用作模拟电路和数字电路的接口 还可以用作电平检测 波形产生和变换电路等 2 运放的工作状态比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件下工作 运放的输出电压只有正和负两种饱和值 即运放工作在非线性状态 在这种情况下 运放输入端 虚短 的结论不再适用 但 虚断 的结论仍然可用 1 电压比较器的功能 12 常用的电压比较器有 零电平比较器 过零比较器 非零电平比较器 单限比较器 迟滞比较器 滞回比较器 窗口比较器 双限比较器 3 电压比较器的类型 13 1 阈值电压 比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平 2 输出电平 输出电压的高电平和低电平 3 灵敏度 输出电压跳变的前后 输入电压之差值 其值越小 灵敏度越高 然而 灵敏度越高 抗干扰能力就越差 零电平和非零电平比较器的灵敏度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值 而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值 因而 迟滞比较器的抗干扰能力强 4 响应时间 输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间 4 电压比较器的性能指标 14 5 电压比较器的分析方法 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 只有当U U 时 输出状态才发生跳变 反之 若输出发生跳变 必然发生在U U 的时刻 虚断 运放输入端电流 0 注意 此时不能用虚短 理想情况 实际情况 电压比较器在输出状态跳变过程中 运放可视为在线性区工作 按理想情况分析 15 注意 称之为同相比较器 称之为反相比较器 16 UR UR为参考电压 阈值电压 P285定义 当ui UR时 uo Uom当ui UR时 uo Uom 一 非零电平比较器 若ui从同相端输入 同相电压比较器 17 UR 当uiUR时 uo Uom 若ui从反相端输入 电压比较器 反相电压比较器 18 当UR 0时 电压比较器 二 零电平比较器 19 利用电压比较器将正弦波变为方波 电压比较器 例题 UR 0 20 忽略了正向压降UF 电压比较器 用稳压管稳定输出电压 21 为了限制集成运放的差模输入电压 保护其输入级 可加二极管限幅电路 作用 a 使Uo 0时的输出更接近0 b DZ有存储效应 D的跳变速度快 使输出接近矩形波 22 7 4 2迟滞比较器 滞回比较器 滞环比较器 施密特触发器 单限比较器的优点是电路结构简单 灵敏度高 但是 主要缺点是抗干扰能力差 如果输入电压因受干扰或噪声的影响 单限比较器的输出端电压将会在高 低两种电平之间频繁地反复跳变 使电路不能稳定工作 波形示意图如右所示 单限比较器的优缺点 t uI 0 uO 0 t 门限电平 UZ UD UZ UD 23 1 迟滞比较器 下行 特点 电路中使用正反馈和uo相连 而uo有两个值 所以对应的U 就有两个值 故阈值电压就有两个值 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM 3 当uo负饱和时 uo UOM 反相滞回比较器 24 设ui 当ui U L uo从 UOM UOM 这时 uo UOM U U L 设初始值 uo UOM U U H设ui 当ui U H uo从 UOM UOM 迟滞比较器 25 U H上门限电压U L下门限电压U H U L称为回差 迟滞比较器 传输特性 26 迟滞比较器 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 假设开始时UO为UOM 想想 假设开始时UO为 UOM 27 上下限 用叠加定理 迟滞比较器 加上参考电压后的迟滞比较器 下行 U U 时所对应的ui值就是阈值 28 R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 10V 2V 迟滞比较器 例题 2V 10V 29 迟滞比较器 2V 10V t t 30 滞回比较器可以组成矩形波 锯齿波等非正弦信号发生电路 也可以实现波形变换 与单限比较器相比 滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强 波形示意图如右所示 滞回比较器的主要优点 31 干扰太大 滞回功能会失效 32 迟滞比较器 迟滞比较器 下行 两种电路传输特性的比较 33 当uo UOM 当uo UOM ui ui 迟滞比较器 2 迟滞比较器 上行 同相滞回比较器 令 令 以前学习的过零同相比较器 34 传输特性曲线 上下门限电压 迟滞比较器 35 上下门限电压 加上参考电压后的迟滞比较器 上行 36 加上参考电压后的迟滞比较器 上行 传输特性 37 为了正确画出电压传输特性 必须求出以下三个要素 注意 38 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路 它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较 并将比较的结果输出 比较器的输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 为数字量 而输入信号是连续变化的模拟量 因此比较器可作为模拟电路和数字电路的 接口 39 在如图所示电路中 R1 R2 5k 基准电压UREF 2V 稳压管的稳定电压UZ 5V 输入电压为如图所示的三角波 试画出输出电压 例1 电压传输特性的趋势 UT的具体值有待下面求得 无正反馈 单阈值 40 解 令uN uP 0 则求出阈值电压 所以画出输出波形如图所示 41 1 42 在左图 a 所示电路中 已知R1 50k R2 100k 稳压管的稳定电压UZ 9V 输入电压uI的波形如右图 a 所示 试画出输出电压uo的波形 例2 有正反馈 双阈值 43 解 输出高电平和低电平分别为UZ 9V 阈值电压 画出电压传输特性如图 c 所示 根据电压传输特性便可画出uo的波形 如图 b 所示 从波形可以看出 uI的变化在 UT之间时 uo不变 表现出一定的抗干扰能力 两个阈值电压的差值愈大 电路的抗干扰能力愈强 但灵敏度变差 因此应根据具体需要确定差值的大小 三要素法 44 设计一个电压比较器 使其电压传输特性如图 a 所示 要求所用电阻值在20 100k 之间 讨论题 3 解 根据电压传输特性可知 输入电压作用于同相输入端 而且uo UZ 6V UT1 UT2 3V 电路没有外加基准电压 故电路如图 b 所示 求解阈值电压的表达式 45 所以 若取R1为25k 则R2应取为50k 若取R1为50k 则R2应取为100k 故 本题有无问题 问题在哪里 请改正之 46 实验中的加热装置可用一个100 2W的电阻RT模拟 将此电阻靠近Rt即可 差动放大电路 滞回比较器 三极管放大 电路如图所示 它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻 NTC元件 Rt为一臂组成测温电桥 其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出 加热 与 停止 信号 经三极管放大后控制加热器 加热 与 停止 改变滞回比较器的比较电压UR即改变控温的范围 而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定 实例1 请同学们自荐或推荐一两名同学做此实验 47 由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后给A2组成的滞回比较器 与反相输入端的参考电压UR相比较 当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时 A2输出正饱和电压 三极管T饱和导通 通过发光二极管LED的发光情况 可见负载的工作状态为加热 反之 当同相输入信号小于反相输入端电压时 A2输出负饱和电压 三极管T截止 LED熄灭 负载的工作状态为停止 调节RW4可改变参考电平 也同时调节了上下门限电平 从而达到设定温度的目的 电桥的主要功能是把微小的电压变化或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来 这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏 如果没有电桥的稳定性功能是很难解决这些出现在个别元器件上的偏差的 加热 停止加热 调整管 取样电路 脉宽调制 PWM 电路开关调整管控制 滤波 频率固定的三角波 误差放大 续流 开关稳压电源的基本工作原理 一 串联型开关稳压电路 组成框图 误差放大器放大的是比较出来的结果 就是采样和基准的误差 所以比较放大器是放大比较出来的误差 实例2 1 取样环节 R1 R2分压提取取样电压uF 反馈电压 2 基准电压环节 提供稳压的基准电压UREF 3 放大环节 比较放大器A1 放大差值 UREF uF 4 调整环节 调整管T由开关信号uB控制通断 稳定输出电压UO 详解 5 LC滤波器及续流二极管D 滤波和续流得到平稳的直流电压 6 脉宽调制比较器C 反相端接uT 三角波发生器的输出 同相端接uA 比较放大器输出 输出开关信号uB驱动调整管 三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路 PWM T 当uB为高电平 T饱和 D截止 uE UI 经LC滤波到负载RL 同时iL 时 L和C储存能量 当uB为低电平 T截止 D导通 uE UD 0 D续流 LC泄放能量给RL供电 输出较平稳的直流电压 开关电源的工作原理 T 工作波形 占空比 脉宽调制式 PWM 稳压原理 忽略电感的直流电阻 输出电压VO即为vE的平均分量 Vo的推算过程 实例3比较器在D类放大器的应用 PMOS NMOS 从PWM波形中提取出放大后的音频信号 需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器 送入低通滤波器前的信号 57 求下图所示电压比较器的阈值 并画出传输特性 课堂练习 设UOH 12V UOL 12V VD为理想二极管 1 2 输入信号的频谱图 滤波前输出信号的频谱图 滤波后输出信号的频谱图 59 2参考答案 上下阈值分别为 UO UOH时 UD导通 UR 10 30 12 20 30 UTH1 9VUTH1 9 4 2 3 7 5VUO UOL时 UD截止 UTH2 9V为同相滞回比较器 传输特性如下 60 UTH1 30 2 10 30 10 6 10 30 3V UTH2 30 2 10 30 10 6 10 30 0V 1参考答案 上下阈值分别为 为反相滞回比较器其传输特性如下 61 了解7 4 3双限比较器 窗口比较器 其中 UA UB 单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只跃变一次 因而不能检测输入电压是否在两个给定电压VA VB之间 而窗口比较器具有这一功能 其电路及传输特性曲线如右下图所示 62 由图可知 当uI UB时 A1的输出端为低电平 A2的输出端为高电平 则二极管D2导通 D1截止 输出电压uO为高电平 特性曲线如右图所示 双限比较器的工作原理 其中 UA UB 注意 连接 下台阶 上台阶 UOA2 UOA1 63 当uI UA时 A1的输出端为高电平 A2的输出端为低电平 则二极管D1导通 D2截止 输出电压uO也是高电平 特性曲线如右图所示 其中 UA UB 双限比较器工作原理 64 当UB uI UA时 A1 A2的输出端均为低电平 两个二极管均截止 输出电压uO为低电平 特性曲线如右图所示 其中 UA UB 双限比较器工作原理 65 双限比较器及其传输特性动画 66 由两个简单比较器组成的窗口比较器 a 电路图 b 传输特性 注意 连接法 67 窗口比较器应用 三极管 值分选电路 用双电压比较器LM393设计一个 值分选电路 要求当被测三极管的 250 LED不亮 表示不合格 当150 250 LED亮 表示合格 已知电源电压Vcc 12V 三极管集电极电阻R2 2K 68 1 根据题意要求 设计与计算Rb的阻值 调节W1使Rb回路总阻值等于设定值并连接好电路 2 根据Rb取值和被测晶体管 值范围计算出Uc的正常范围 按照Uc的变化范围在万用表帮助下调节W2 W3到设定的上限UREF1与下限电压UREF2 3 测量被测三极管的静态直流电压并记录 判断三极管是否处于放大状态 如不是放大状态则检查电路是否连接有误或Rb取值设计不当 装入一些已知直流 值的晶体三极管 验证电路工作情况 69 单限比较器 电路只有一个阈值电压 输入电压uI逐渐增大或减小过程中 当通过UT时 输出电压uO产生跃变 从高电平UOH跃变为低电平UOL 或者从UOL跃变为UOH 滞回比较器 电路有两个阈值电压 输入电压uI从小变大过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT1 不等于从大变小过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT2 电路具有滞回特性 窗口比较器 电路也有两个阈值电压 输入电压uI从小变大或从大变小过程中使输出电压uO产生两次跃变 总结 70 比较器在最常用的简单集成电路中排名第二 仅次于排名第一的运算放大器 在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论 关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常多 可是我们却很难找到关于比较器的理论研究 究其原因 比较器本身功