《模拟电子技术 》课件项目2 信号运算和处理电路

2.3.3电压比较器电压比较器用来比较输入信号与参考电压（往往去固定不变的电压）的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。常常在数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。当利用集成运算放大器组成时，集成运放通常工作在非线性区，故应根据集成运放工作在非线性区时的两个重要特点来分析电路。

常用的电压比较器类型有：单门限电压比较器、滞回电压比较器和双限电压比较器

一、单门限电压比较器简单电压比较器通常只含有一个运放,而且多数情况下,运放是开环工作的。由于只有一个门限电压,所以又称为单限比较器。它常用于检测输入信号的电平是否大于或小于某一特定的值。故又称为电平检测器。1.比较器的阈值比较器的输出状态发生跳变的时刻,所对应的输入电压值叫作比较器的阈值电压,简称阈值；或叫门限电压,简称门限。记作UTH。2.比较器的传输特性比较器的输出电压UO与输入电压UI之间的对应关系叫作比较器的传输特性,它可用曲线表示,如图2.5.1所示，也可用方程式表示。当uI＞UTH时，uo=+Uom；当uI＜UTH时，uo=-Uom；当uI＝UTH时，输出电压发生跳转，从+Uom跳到-Uom或从+Uom跳到-Uom。图2.5.1比较器的传输特性3.比较器的组态若输入电压uI从运放的反相端输入,则称为反相比较器；若输入电压UI从运放的同相端输入,则称为同相比较器。图2.5.2所示为反相输入式比较器。由图2.5.2可见，参考电压UR即为该电路的门限电压，即有UTH＝UR。

图2.5.2反相输入式比较器利用基本单门限电压比较器，可以实现波形变换，将正弦波信号或其它周期性波形变换成同频率的矩形波或方波信号。图2.5.3所示为将正弦波变为矩形波。如果参考电压为0V，这时的比较器称为过零比较器。当过零比较器的输入信号uI为正弦波时，输出电压uo为正负宽度相同的矩形波，即方波。图2.5.3正弦波变为矩形波二、滞回电压比较器单门限电压比较器具有结构简单、灵敏度高的优点，但它的抗干扰能力较差。如果输入信号在门限值附近有微小干扰，则输出电压将会产生相应的抖动，如果用此电压去控制电机等设备，将会出现操作错误，将造成不可估量的损失。解决办法是采用迟滞电压比较器。滞回电压比较器及其传输特性曲线如图2.5.4所示，该电路为反相滞回比较器。图2.5.4反相滞回比较器及其传输特性曲线它将输出电压通过电阻RF再反馈到同相输入端，引入了电压串联正反馈。滞回电压比较器接有正反馈回路，所以工作于非线性状态。根据集成运放工作在非线性区的两个重要特点可知，输出电压发生跳变的临界条件是UP=UN。由图可见，UN=Ui，同相输入端的电压UP由参考电压UR和输出电压uo共同决定，可应用叠加原理分别求出UP的两种工作状态当输出电压正向饱和时，即uo=+Uom，UP的电压称为上限门限电压，用UTH1表示，则有

（2-5-1）当输出电压正向饱和时，即uo=-Uom，UP的电压称为下限门限电压，用UTH2表示，则有

（2-5-2）很显然，有UTH1＜UTH2。假设Ui为负电压且足够小，运放必然工作在正饱和状态，uo=+Uom，此时UP=UTH1。随着Ui逐渐增大时，只要Ui＜UTH1，则输出电压uo=+Uom将保持高电平不变。当输入信号Ui渐渐增大到UI=UTH1时，输出电压由+Uom翻转到-Uom，同时运放同相端电压变为为UTH2。若UI继续增大，输出电压不变，保持-Uom，则传输特性曲线如图2.5.4左边所示。图2.5.4反相滞回比较器及其传输特性曲线要使运放状态再次发生翻转，必须减小Ui，若Ui开始下降，uo保持-Uom值，则运放同相端对地电压等于UTH2，即使Ui达到UTH1，因为Ui仍大于UTH2，所以输出电压不变。当Ui降至UTH2时，输出电压由-Uom翻转回+Uom，UP重新增大到UTH1，传输特性曲线如图2.5.4右边所示。将图2.5.4的左右两个特性合并在一起，就构成了如图2.5.4所示的迟滞电压比较器的电压传输特性。图2.5.5反相滞回比较器传输特性曲线我们将上门限电压UTH1和下门限电压UTH2的二者之差ΔUTH=UTH1-UTH2称为回差，回差电压的存在，可大大提高电路的抗干扰能力，回差电压越大，电路的抗干扰能力越强，但分辨度越差。【例2.5.1】如图2.5.4所示电路，已知集成运放输出的正、负向饱和电压为±9V，R1=10kΩ，R2=10kΩ，RF=20kΩ，UR=９V。(1)求出回差电压ΔUTH；请根据图2.5.6所示输入电压波形，画出输出电压波形。解：输出电压正向饱和时，根据式(7-37)可求得上限门限电压UTH1为输出电压负向饱和时，根据式(7-38)可求得下限门限电压UTH2为回差电压为

ΔUTH=UTH1-UTH2=9-3＝3V已知图2.5.6所示输入电压波形，可画出输出电压波形如图2.35所示的矩形波。图2.5.6滞回比较器波形变换训练电路迟滞电压比较器电路仿真测试如图2.5.7所示，电路中参数如图中所示。

训练步骤按照图2.5.7所示搭建好仿真电路,②接入UI=UREF=0，用万用表测量输出直流电压大小，并记录：UO=____V，为____电平。③微调UI，使之在±1V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：UO____（a.无变化b.产生翻转）。④保持步骤③，