西安电子科技大学 模电课件 第3章 电压比较器

1、 一一. 一阶一阶RC有源滤波器有源滤波器 二二. 二阶二阶RC有源滤波器有源滤波器 2.正馈型有限增益放大器的有源二阶低通滤波电路正馈型有限增益放大器的有源二阶低通滤波电路 3.无限增益放大器的多环负馈型二阶带通滤波电路无限增益放大器的多环负馈型二阶带通滤波电路 4. 二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器 . 全通和带通相加器组成的带阻滤波器全通和带通相加器组成的带阻滤波器 三三. 一阶全通（移相）滤波器一阶全通（移相）滤波器 四四. 基于双积分环的二阶有源滤波器（状态变量滤波器）基于双积分环的二阶有源滤波器（状态变量滤波器） RC有源滤波器小结有源滤波器小结. 双双T网络组成的带阻滤波器网络组成的

2、带阻滤波器 1. 二阶二阶RC滤波器的组成结构滤波器的组成结构一一. 由由LC谐振回路构成的带通和带阻滤波器谐振回路构成的带通和带阻滤波器2.4.6 模拟电感实现的滤波电路模拟电感实现的滤波电路0222001|( )11(|)usssLQsCRCAssRsLssssCRCLCQ1ooCQRCRLLC其中其中 可见，第一个电路具有带通特性。可见，第一个电路具有带通特性。2220222001( )111usLsCAsRsLsCssLCRssssLLCQ11ooLLQRRCLC其中其中 可见，该电路具有带阻特性。可见，该电路具有带阻特性。42531ZZZZZIUZiii取取135241ZZZZRZj

3、 C2iaZjR CjL2aLR C摸拟无耗等效电感摸拟无耗等效电感二二. 模拟电感。模拟电感。1. 无耗接地电感无耗接地电感Z3Z5UiZ4Z5UiUiZiUiCRRRRuoKR6uiC6La由模拟电感构成的带通滤波器由模拟电感构成的带通滤波器 21121212111()()RiCRiiiiiiiCiiaUIj CRUZIR IIj CR I RIRUIRj CR RRURjULU1212aRRRLCR R其中其中可见，该电路等效一有耗电感。可见，该电路等效一有耗电感。1. 有耗接地电感。有耗接地电感。由模拟电感构成的带阻滤波器由模拟电感构成的带阻滤波器 12RRR选择选择即可实现由模拟电感

4、构成的二阶带阻滤波器即可实现由模拟电感构成的二阶带阻滤波器 ()0OOiUAU在在 处处11oaL C第第3章章 电压比较器电压比较器、驰张振荡器驰张振荡器 及模拟开关及模拟开关3.1 电压比较器电压比较器3.2 驰张振荡器驰张振荡器3.3 模拟开关模拟开关 电压比较器的功能是电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平。并根据比较结果输出高、低两个电平。3.1 电压比较器电压比较器 电压电压比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成运放组成，这里只讨论后者。运放组成，这里只讨论后者。

5、由于比较器输出只有两个状态，因此，由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的用作比较器的运放将运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。工作在开环或正反馈的非线性状态。比较器比较器在信号变换在信号变换、检测、检测和波形产生电路中有广泛应用。和波形产生电路中有广泛应用。 此外由于高电平相当于逻辑此外由于高电平相当于逻辑“1”，低电平相当逻辑，低电平相当逻辑“0”，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路。电压比较器的基本特性电压比较器的基本特性 1. 输出输出 高电平高电平(UoH)和低电平和低电平(UoL) 用运放构成的比较器，其输出的高电平用

6、运放构成的比较器，其输出的高电平UoH和低电平和低电平UoL可分别接近于正电源电压可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压和负电源电压(-UCC)。电压比较器的电路符号电压比较器的电路符号 理想的电压比较器，在高、理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限低电平转换的门限UT处具有处具有阶跃的传输特性。阶跃的传输特性。 实际运放的实际运放的Aud不为无穷大。在不为无穷大。在UT附近存在着一个比附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH，也非，也非UoL，故，故无法对输入电平大小进行判别。无法对输入电平大小进行判别。2. 鉴别灵敏度鉴别灵敏度udA

7、这就要求运放：这就要求运放： 显然，显然，Aud越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。的鉴别灵敏度越高。 转换时间转换时间 3.转换速度转换速度 作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。较器输出状态发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。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。非线性应用的条件：非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。运放开环或施加

8、正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：非线性应用特点：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU 此时，两输入端此时，两输入端“虚短路虚短路”的概念不再适用。的概念不再适用。 i-i+ 一一. 反相电压比较器反相电压比较器 电路如图所示，电路如图所示， 输入信号输入信号ui加加在反相端，参考电压在反相端，参考电压ur 加在同相端。加在同相端。3.3.1 简单电压比较器简单电压比较器 ui ur ， uo=UOL其传输特性其传输特性 uo= f ( ui )当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器

9、。 0UoH2. 同相电压比较器同相电压比较器 ui ur ， uo=UOH其传输特性其传输特性 uo= f ( ui )当参考电压为零时，则为同相过零比较器。当参考电压为零时，则为同相过零比较器。 电路如图所示，电路如图所示， 输入输入 信号信号ui加在同相端，参考加在同相端，参考 电压电压ur 加在反相端。加在反相端。 0例例1. 若若 ui=5sint V ur =2V, UCC =12V。 试画出反相和同相比试画出反相和同相比较器的输出波形。较器的输出波形。反相比较器反相比较器同相比较器同相比较器 例例2.将不规则的输入波将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。形整形成规则的矩形波。 例

10、例3.若若ur为三角波，而为三角波，而ui为缓为缓变信号，实现脉宽调制。变信号，实现脉宽调制。 反相比较器反相比较器反相过零比较器反相过零比较器简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题 . 输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；不够陡峭；. 抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。3.3.2. 迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器 为了解决以上两个问题，在比较器中引入为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈正反馈，构成所谓构成所谓“迟滞比较器迟滞比较器”

11、。 这种比较器具有很强的抗干扰能力，同时由于正反这种比较器具有很强的抗干扰能力，同时由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。 一一. .反相迟滞比较器反相迟滞比较器 反相迟滞比较器电路如反相迟滞比较器电路如图所示。图所示。 R1和和R2将输出电压将输出电压uo反馈到运放的同相端，构反馈到运放的同相端，构成正反馈。为简单计，成正反馈。为简单计，R1端端所接的参考电平为地电位。所接的参考电平为地电位。下面来分析该电路的传输特性下面来分析该电路的传输特性112foHRUUURR当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为当输出一旦变为低电平，则同

12、相端也同时跳变为 当当ui很负使很负使u 以后，以后，uo将维持在低电平。将维持在低电平。UUU112oLRUUURR 反之，反之，ui由大逐渐变小时，由于同相端电位变为由大逐渐变小时，由于同相端电位变为 因而因而ui必须小到必须小到 时，输出才由低电平跳变为高电平。时，输出才由低电平跳变为高电平。此时的输入电压称为此时的输入电压称为下门限电压下门限电压，记为，记为UTL。 UTL= UU对应的传输特性曲线如图所示。对应的传输特性曲线如图所示。 UTHUTL112THoHRUURR电压的传输特性电压的传输特性112TLoLRUURR 由于其传输特性很像磁由于其传输特性很像磁性材料的磁滞回线，所

13、以称性材料的磁滞回线，所以称之为迟滞比较器或滞回比较之为迟滞比较器或滞回比较器。器。 111212()2THTLoHoLCCRRUUUUUURRRR 迟滞比较器的上、下门限电迟滞比较器的上、下门限电压之差称之为压之差称之为回差回差，用，用U表示，即表示，即 回差回差U的大小，将决定比较器的抗干扰能力，的大小，将决定比较器的抗干扰能力， U越越大，则抗干扰能力越强。但同时使比较器的鉴别灵敏度降大，则抗干扰能力越强。但同时使比较器的鉴别灵敏度降低。因为输入电压低。因为输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。电平不可能转换。例例4. 若若 ui=5

14、sint V ， R1 =10k， R2 =50k ，UCC =12V。 试画出反相试画出反相迟滞迟滞比较器的输出波形。比较器的输出波形。1012210 50THUV10( 12)210 50TLUV 解解有干扰下的迟滞比较器输出波形有干扰下的迟滞比较器输出波形 二二. 同相迟滞比较器同相迟滞比较器电路如图所示，当电路如图所示，当ui很负很负使使u+ u=0 时，时，uo为低电为低电平平UoL。 此时，同相端电位此时，同相端电位u u+ +为为211212ioLRRUuURRRR 当当ui由负增大到使由负增大到使U+=0时，输出将由低电平跳变为时，输出将由低电平跳变为高电平。此时的高电平。此时

15、的ui即为即为上门限电压上门限电压UTH。输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为UTH=012THoLRUUR 由上式解得由上式解得211212ioHRRUuURRRR 反之，反之，ui由正减小到使由正减小到使 时，输出将由高电平跳时，输出将由高电平跳变为低电平。此时的变为低电平。此时的ui即为即为下门限电压下门限电压UTL。0U 对应的传输特性如图所示。对应的传输特性如图所示。UTL=012TLoHRUUR 由上式解得由上式解得12THoLRUUR 作业：作业： p95 3-1，3-2， 3-3 若若 ui=6sint v，ur=5v，R1 =20k

16、， R2 =50k ，UCC =12V。 试画出传输特性，并画出输出电压波形。试画出传输特性，并画出输出电压波形。一一. 简单电压比较器简单电压比较器二二. 迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器 振荡器（又称波形产生器）是一种没有输入信号，振荡器（又称波形产生器）是一种没有输入信号，在加电之后能自动产生一定形状在加电之后能自动产生一定形状、一定幅度和一定频率、一定幅度和一定频率波形的波形的电路电路。根据产生波形的形状不同，。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为振荡器可分为后者主要产生方波后者主要产生方波、三角波和锯齿波等非正弦波。张弛、三角波和锯齿波等非正弦波。张弛振荡电路的类型非常多

17、，本节只讨论用集成运放构成的振荡电路的类型非常多，本节只讨论用集成运放构成的张弛振荡电路。张弛振荡电路。75 张弛振荡器张弛振荡器一一. 方波振荡器方波振荡器 方波振荡器是由运放构成反相迟滞比较器，再加一条方波振荡器是由运放构成反相迟滞比较器，再加一条RC充放电支路构成，如图示。其上、下门限分别为：充放电支路构成，如图示。其上、下门限分别为：212()TLZDRUUURR212()THZDRUUURR 1. 振荡器原理振荡器原理 加电后若加电后若uo=UoH，UoH通过通过R向向C充电，充电，ui增大增大，达到达到UTH时，时，uo跳变为低电平。跳变为低电平。 uo=UoL后，后，C反向充电，

18、反向充电，ui减小减小，降到降到UTL时，时，uo又又跳变为高电平跳变为高电平此后重复以上过程，周而复始产生振荡。此后重复以上过程，周而复始产生振荡。+振荡器电路中电容器端和输出的电压波形振荡器电路中电容器端和输出的电压波形下面来计算振荡频率下面来计算振荡频率f011( )(0 )ln( )()CCCCuuTuuT 121ln2ln(1)oHTLoHTHUUTUURRCR 首先计算周期首先计算周期T。T=T1+T2， T1=T2，T=2T1。根据三要素法：。根据三要素法：0121111222ln(1)fRTTRCR则振荡频率则振荡频率21221120( )CTLoHCoHCTHoHRUUURR

19、UURu TUURRRC （ ）（ ）其中其中 可见，只可见，只要调节电位要调节电位器动臂的位置，使充、器动臂的位置，使充、放电时常数不等，则占放电时常数不等，则占空比可调。但振荡周期空比可调。但振荡周期（频率）保持不变。（频率）保持不变。 为了表征方波高、低电平的对称性，引入参数占为了表征方波高、低电平的对称性，引入参数占空比空比D，D定义为高电平时间定义为高电平时间T1与周期与周期T的比值，即的比值，即1112DTTTTT显然，上述电路由于显然，上述电路由于T1=T2，T=2T1， 所以所以D=0.5 如果要求占空比可调如果要求占空比可调:如动臂向上移动时：如动臂向上移动时：T1T2，D0

20、.5二二. 三三角波角波-方波振荡器方波振荡器电路组成原理电路组成原理1. 反相比较器构成的电路反相比较器构成的电路ui2. 同相比较器电路构成的电路同相比较器电路构成的电路12()THZDRUUUR12()TLZDRUUUR 3. 振荡频率振荡频率f0 122()THTLCZDRUUUUUR122022121124R RCRTfRTTR RCZDCUUiR1222TTTT 在在T2时间内，时间内，uC的变化量的变化量2201TZDCCUUUi dtTCRC三三. 锯齿波产生器锯齿波产生器10k5.5k12V1k14k12VLM3181N4732A1N4732A10k/78%10 0k/71%

21、1k1000pLM31812V12VRW1RW2 图760 占空比可调的弛张振荡器四四. 压控张弛振荡器压控张弛振荡器 放放大大器器 为保证振荡的相位关为保证振荡的相位关系，系，uo1=UoH时，时， Au=1， 而而uo1=UoL时，时， Au=+1。 uo1输出的调频方波波形输出的调频方波波形 控制信号控制信号uS的波形的波形EQUS76 模拟开关模拟开关 模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来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。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

22、，各开关间的隔离度要好。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，也可以用模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用MOS场效应场效应管构成管构成 CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、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。关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。 一一. CMOS传输门传输门UDDuiV7V1uouGV3V4V5V6V2uG 二二. CMOS模拟开关电路模拟开关电路(a)(b)IN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTC1C2C3C4OUT/INOUT/INOUT/INOUT/INS1S2

23、S3S41411321211109834567S1S2S4S3C2C3UDDC1C4地 CC4046四双向模拟开关四双向模拟开关uiuoRR1RfRf1Rf2Rf3Rf4S1S2S3S4UC1UC2UC3UC4CC40661. 增益控制增益控制三三. MOS模拟开关的应用举例模拟开关的应用举例0uit(a)(b)0uCit2TT0uot模拟开关uiuoUCi 2. 脉冲调制电路脉冲调制电路3. 模拟开关用于多路信号数据采集模拟开关用于多路信号数据采集 77 集成运算放大器选择指南集成运算放大器选择指南 本章已经介绍了集成运算放大器在线性和非线性方本章已经介绍了集成运算放大器在线性和非线性方面的

24、应用。为便于说明电路的工作原理和电路性能指标面的应用。为便于说明电路的工作原理和电路性能指标的计算，分析中我们都假设运放具有理想的特性。但这的计算，分析中我们都假设运放具有理想的特性。但这并不意味着在实际中可以不加选择地随便拿一个运放即并不意味着在实际中可以不加选择地随便拿一个运放即可使用，而不去关心运放的具体性能指标。可使用，而不去关心运放的具体性能指标。 实际上，器件的许多非理想因素会影响电路的性能，实际上，器件的许多非理想因素会影响电路的性能，所以，我们必须根据电路和信号的需要来精心地选择器所以，我们必须根据电路和信号的需要来精心地选择器件的型号。件的型号。 有关运放非理想特性带来运算误差的定量分析，请有关运放非理想特性带来运算误差的定量分析，请读者参考本书附录读者参考本书附录C，在此仅介绍一般的选择原则。，在此仅介