第三章__电压比较器、弛张振荡器及模拟开关

1、第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.1,电压比较器,3.1.1,电压比较器的基本特性,电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据,此决定输出是高电平还是低电平,高电平相当于数字电路中的逻辑,1,低电平相当,于逻辑,0,比较器输出只有两个状态，不论是,1,或是,0,比较器都工作在非线性状态,注意,在运算电路中所使用的“虚地”概念在非,线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,U,CC,u,i,u,r,C,u,o,u,o,U,oH,0,u,r,U,oL,u,i,U,EE,a,鉴,别,不,灵敏,区,b,图,3.1.1,电压比较器的符号及传

2、输特性,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,1,高电平,U,oH,和低电平,U,oL,电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用,运放构成的比较器，其高电平,U,oH,可接近于正电源电压,U,CC,低电平,U,oL,可接近于负电源电压,U,EE,专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即,U,oH,3.4V,左右,U,oL,0.4V,左右,2,鉴别灵敏度,在实际电路中，集成运放和专用比较器芯片的,A,ud,不为无穷,大,u,i,在,u,r,附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区,如图,3.1.1(b,中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出,A,ud,越大，则这个不

3、灵敏区就越小，工程上称比较器的鉴别灵敏,状态既非,U,oH,也非,U,oL,故无法实现对输入电平大小进行判别,度越高,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3,转换速度,转换速度是比较器的另一个重要特性，即比较器,的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时,间尽可能短，以便实现高速比较,比较器的转换速度与器件压摆率,SR,有关,SR,越大,输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度,越高,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.1.2,电压比较器的开环应用,1,过零比较器,令参考电平,u,r,0,若,Ui,0,u,o,U,oL,若,Ui,0,u,o,U,oH,这种电路

4、可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形,将不规则的输入波形整形成规则的矩形波,问题：若参考电平,u,r,0,而是接参考电压,U,REF,输出,波形会有什么样的变化,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,图,3.1.2,a,过零比较器整形波形,b,脉宽调制器输出波形,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,u,i,分别如图,3.1.3(a,b,所示,例,3.1.1,电路及输入信号波形,u,o,1,和,u,o,2,的波形图,其中,C,为交流耦合电容，试分别画出,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.1.3,迟滞比较器,正反馈

5、比较器,1,一是输出电压转换时间受比较器翻转速度（压摆率,SR,的,限,制,导,致,高,频,脉,冲,的,边,缘,不,够,陡,峭,如,图,3.1.5(a,所示,二是抗干扰能力差，如图,3.1.5(b,所示，若,u,i,在参考电,压,u,r,0,附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的,跳变，直至,u,i,远离,u,r,值才稳定下来。如果对受干扰的,u,o,波,形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误,差,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,图,3.1.5,简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况,a,输出波形边缘不陡峭,b,受干扰情况,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟

6、开关,2,为了解决以上两个问题，可将比较,器设置两个阈值，只要干扰信号不超过,这两个阈值，比较器就不会跳变，从而,提高比较器的抗干扰能力。利用这种思,想设计出来的电压比较器称为迟滞比较,器，或称施密特触发器。电路是在简单,比较器基础上增加了正反馈电路实现的,正反馈也加快了翻转速度,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,1,其正反馈系数,F,为,U,f,R,1,F,正,U,o,R,1,R,2,R,2,将,u,o,反馈到运放的同相端与,R,1,一起构成正反馈,上门限电压,U,rH,R,1,U,OH,R,1,R,2,下门限电压,U,rL,R,1,U,OL,R,1,R,2,第,3,章,电压比较

7、器、弛张振荡器及模拟开关,该电路传输特性分析,因为信号加在运放反相端，所以,u,i,为负时,u,o,必为,正，且等于高电平,U,oH,U,CC,此时，同相端电压,U,为,参考电平,U,r1,U,r,1,U,f,1,F,正,U,oH,R,1,R,1,U,oH,U,CC,R,1,R,2,R,1,R,2,3.1.2,当,u,i,由负逐渐向正变化，且,u,i,U,f,U,r1,时，输出将由高电平,转换为低电平。我们称,u,o,从高到低所对应的,u,i,转换电平为,上门限电压，记为,U,TH,即,U,TH,R,1,R,1,U,r,1,U,oH,U,CC,R,1,R,2,R,1,R,2,3.1.3,第,3

8、,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,而后,u,i,再增大,u,o,将维持在低电平。注意此时比,较器的参考电压,U,r,也将发生变化，即,U,r,2,U,f,2,R,1,R,1,F,正,U,oL,U,oL,U,EE,R,1,R,2,R,1,R,2,3.1.4,可见，当,u,i,由正变负的比较电平将是,U,r2,负值,故,只有当,u,i,变得比,U,r2,更负时,u,o,才又从低变高。所以,称,U,r2,为下门限电压，记为,U,TL,即,U,TL,U,r,2,R,1,R,1,U,oL,U,EE,R,1,R,2,R,1,R,2,3.1.5,特点：输出端,从高电平跳变到低电平,对应的阈值电,压与,

9、从低电平跳变到高电平,对应的阈值电压,不同,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图,3.1.6(b,所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，因此,称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上,下门限之差称之为回差，用,U,表示,U,U,TH,U,TL,R,1,2,U,CC,R,1,R,2,3.1.6,正是由于回差的存在，才提高了比较器的抗干扰能力,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,如图,3.1.7,所示。由于使电路输出状态跳变的输入,电压不发生在同一电平上，当,u,i,上叠加有干扰信号时,只要该干扰信号的幅度不大于回差,U,则该干扰的存,在就

10、不会导致比较器输出状态的错误跳变,回差,U,的存在使比较器的鉴别灵敏度,降低了。输入电压,u,i,的峰峰值必须大于回差，否则，输,出电平不可能转换,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,图,3.1.7,迟滞比较器输出波形,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,2,电路如图,3.1.8(a,所示，信号与反馈都加到运放同,相端，而反相端接地,U,0,只有当同相端电压,U,U,0,时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反,馈电压与,u,i,在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上,门限电压和下门限电压分别为,U,TH,U,TL,R,1,R,1,U,oL,U,EE,R,2,R,2,R

11、,1,R,1,U,oH,U,CC,R,2,R,2,3.1.7,3.1.8,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,其传输特性如图,3.1.8(b,所示,迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有,两个状态，且具有记忆功能,图,3.1.8,a,电路,b,传输特性曲线,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,例,3.1.2,电路如图,3.1.9(a,所示，输入电压,u,i,的波形如图,3.1.9(b,所示，试画出,u,o1,u,o2,的波形图,图,3.1.9,电路图与波形图,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,解,A,1,为反相比例放大器,A,2,为反相输入迟滞比较器,传输

12、特性如图,3.1.10(a,b,所示,图,3.1.10 A,1,A,2,传输特性,u,o,1,5,u,i,5,1,6,sin,t,8,sin,t,V,波形如图,3.1.9(c,所示,U,TH,10,K,U,CC,6,V,10,K,10,K,U,TL,6,V,波形如图,3.1.9(d,所示,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.2,弛张振荡器,弛张振荡器即方波,三角波产生器。对于方波信号,发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳,为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发,生器称之为弛张振荡器,弛张振荡器必须是一个正反馈电路，它由两部分,组成：一部分是状态记忆电路,另一部分是

13、定时电路,即控制状态转换时间的电路。如图,3.2.1,所示，一般用,迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时,电路,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,状态记忆,单元,定时单元,图,3.2.1,弛张振荡器框图,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.2.1,单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如,图,3.2.2(a,所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器,RC,构成积分器即定时电路。其波形如图,3.2.2(b,所示,图,3.2.2,单运放弛张振荡器电路及波形,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,假定输出为高电平,U,oH,且电容初始电压,u,C(0,0

14、,那么电容被充电,u,C(t,以指数规律上升，并趋向,U,oH,此时，运放同相端电压,U,为,U,F,正,U,oH,R,2,R,2,U,oH,U,CC,R,1,R,2,R,1,R,2,3.2.1,该电压为比较器的参考电平。当,u,C,上升到该电平值,时，即,U,U,则输出状态要发生翻转，即由高电平跳,变到低电平,U,oL,我们将此时的,U,记为高门限电压,U,TH,U,TH,F,正,U,oH,R,2,U,oH,R,1,R,2,3.2.2,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,一旦,U,o,变为低电平，电容开始放电，后又反充电,u,C,以指数规律下降，并趋向,U,oL,但是，因为此时的,

15、U,变为另一个参考电平,下门限电压,F,正,U,oL,U,R,2,U,EE,R,1,R,2,3.2.3,当,u,C,下降到,U,TL,时，输出又从低电平跳变到高电,平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为,U,opp,U,oH,U,oL,2,U,CC,3.2.4,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,电容电压,u,C,t,为近似的三角波，其峰峰值为,U,Cpp,U,TH,U,TL,R,2,2,U,CC,R,1,R,2,3.2.5,因为电容充电和放电时常数均等于,RC,所以,T,1,T,2,占空比,D,T,2,T,50,现在来计算振荡频率,f,0,首先计算时间,T,1,如图,3.2.2(

16、b,所示，根据三要素法，电容电压,u,C,t,为,t,u,C,t,U,C,U,C,U,C,0,e,3.2.6,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,趋向值,U,U,oH,U,CC,C,初始值,U,U,TL,C,0,时常值,RC,转换值：当,t,T,1,时,u,C,T,1,U,TH,将式,3.2.6,代入式,3.2.7,得,R,2,U,oL,R,1,R,2,R,2,U,oH,R,1,R,2,3.2.7,U,oH,U,TL,T,2,ln,U,oH,U,TH,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,1,1,振荡频率,f,0,故,f,0,为,T,2,T,2,f,0,1,2,R,2,2,R

17、C,ln(1,R,1,3.2.8,改变时常数,RC,及正反馈系数,即,R,2,R,1,比值均,可改变振荡频率,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.2.2,双运放构成的弛张振荡器,如图,3.2.3,所示，运放,A,1,构成同相输入的迟滞比较,器,A,2,为理想积分器,A,1,输出为方波，该方波通过电,阻,R,给电容,C,恒流充放电，形成三角波，反过来三角波,又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡,其波形如图,3.2.4,所示,图,3.2.3,双运放方波,三角波振荡器,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,图,3.2.4,双运放方波,三角波振荡器输出波形,第,3,章,

18、电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,1,u,o1,和,u,o2,1,u,o1,由图可见,u,o1,的高电平,U,oH,U,CC,低电平,U,oL,U,EE,所以其峰峰值为,U,oLpp,2,U,CC,3.2.9,u,o2,为三角波。当,u,o1,为高电平时,C,充电，充电电,U,oH,流,为电位器,R,W,的分压比,u,o2,随时间线性,i,C,下降。再看,A,1,其反相端接地，当,U,过零时,A,1,输出,状态翻转，而,U,等于,u,o1,和,u,o2,的叠加，即,R,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,R,1,R,2,U,U,oH,U,o,2,U,0,R,1,R,2,R,1,R,2

19、,u,02,U,o,2,m,R,1,R,1,U,oH,U,CC,R,2,R,2,2,u,o2,同理，当,u,o2,为低电平时,C,反充电，充电电流,u,o2,随时间线性上升，当,U,再次过零时，算,i,C,R,出,U,oL,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,R,1,R,2,U,U,oL,u,o,2,U,0,R,1,R,2,R,1,R,2,U,02,m,u,02,U,o,2,pp,R,1,R,1,U,oL,U,EE,R,2,R,2,3.2.10,R,1,2,U,CC,R,2,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,2,频率,f,0,我们知道，在,T,1,时间间隔内，电容,C,的

20、电压增量,R,1,由式,U,C,Q,C,计算得,U,C,2,U,CC,R,2,R,1,Q,1,1,U,CC,U,C,2,U,CC,i,C,dt,T,1,R,2,C,C,C,R,2,RCR,1,T,1,R,2,R,2,1,1,f,0,T,2,T,1,4,RCR,1,3.2.11,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.3,单片集成专用电压比较器,1,通用低速型,LM311/211/111,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,2,通用型,中速型,LM119,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3,高精度,低失调,低功耗,LM339/239/139,第,3,章,电压比较

21、器、弛张振荡器及模拟开关,4,高速,低功耗,MAX901903,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,例,3.3.1,由单片集成电压比较器,LM311,构成的整形电路,如图,3.3.1(a,LM311,的输出电平转换时间为,200ns,若分别,输入频率为,f,i1,1kHz,f,i2,1MHz,f,i3,5MHz,的正弦信号，试,问输出波形将有何变化,U,CC,2k,u,i,f,i,8,7,LM311,4,u,o,f,i3,5MHz,0,f,i1,1kH,z,0,f,i2,1MHz,0,u,o,t,u,o,t,u,o,t,b,U,EE,a,图,3.3.1,a,电路,b,对应不同信号频率

22、的输出波形,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,解,1,对于,f,i1,1kHz,的输入信号，比较器的输出为方波,2,对于,f,i2,1MHz,的输入信号，比较器的转换时间将对,波形有较大影响，其输出方波的边缘已经很差,如图,3.3.1(b,所示,3,对于,f,i3,5MHz,的信号，其周期为,200ns,半个周期时,间为,100ns,已经少于比较器的转换时间,200ns,所以,比较器的状态根本来不及翻转，故输出波形为一不变,的直线,如图,3.3.1(b,所示,所以，我们在使用器件时，一定要注意器件的特性是,否满足我们的实际需要,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.4,

23、模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用,来控制信号的通断。一个理想的模拟开关，应接通时,相当于短路，关断时相当于开路，工作速度要快，各,开关间的隔离度要好。模拟开关可由双极型晶体管构,成，也可以用,MOS,场效应管构成,CMOS,模拟开关具,有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优,点，因而得到广泛应用,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,3.4.1,常用模拟开关,1.CC4066,模拟开关,IN/OUT,C,1,IN/OUT,C,2,IN/OUT,C,3,IN/OUT,C,4,a,b,S,4,OUT/IN,S,3,OUT/IN,1,S,2,OUT/IN,S,4,S,1,2,S,2,3,4,5,C,2,6,C,3,7,地,S,3,S,1,OUT/IN,U,DD,14,C,1,13,C,4,12,11,10,9,8,图,3.4.1 CC4046,四双向模拟开关,第,3,章,电压比较器、弛张振荡器及模拟开关,2.CD4051,模拟开关,图,3.4.2 CD4051,