Mul基础电路及其仿真 2

第3章电压比较器和乘法器课程内容集成电压比较器的基本功能与应用模拟乘法器的应用电路Multisim仿真分析：瞬态分析、直流分析本章知识结构3.1单限电压比较器单限电压比较器是电压比较器最基本的应用形式。集成电压比较器对两个输入电压进行比较，根据比较结果输出高电平或低电平输入信号连续变化的模拟量输出信号数字量"0"或"1"作用可作为模拟电路和数字电路的"接口"电路3.1.1电路两种基本应用形式同相单限电压比较器

反相单限电压比较器

同相比较器电路与传输特性同相比较器电路（a）(a)同相比较器同相比较器传输特性（b）(b)同相比较器的传输特性反相比较器电路与传输特性反相比较器电路（c）(c)反相比较器反相比较器传输特性（d）(d)反相比较器的传输特性图3-1电压比较器两种最基本的应用形式单限电压比较器的工作原理同相比较器

反相比较器

3.1.2仿真实例：电压比较器门限电压求解电路图（a）(a)电路传输特性（b）(b)传输特性图3-2电压比较器门限电压推导

输出判断

仿真实例说明与结果仿真图（a）(a)仿真图

传输特性（b）(b)传输特性图3-3比较器实例仿真仿真测试结果输出电压最大值：12.0000V输出电压最小值：-11.8954V门限电压：1.9926V（理论值2V，基本吻合）过零电压比较器

仿真图（a）(a)仿真图采用TLC393CD构成的过零电压比较器同相端接地，反相端输入信号，构成反相输入过零比较器输入：幅值1V、频率1kHz的正弦波信号输出：方波输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-4反相输入过零比较器过零比较器仿真测试结果与功能仿真测试结果输出高电平：5.0079V输出低电平：-4.8713V基本功能

应用过零比较器可作为零电平检测电路也可用于波形的"整形"，即将不规则的输入波形整形为规则的输出波形响应时间对输出波形的影响不同频率输入信号下的输出波形比较输入信号频率为1MHz时的输出波形（a）(a)输入信号频率为1MHz输入信号频率为5MHz时的输出波形（b）(b)输入信号频率为5MHz图3-5不同频率输入信号时的输出波形比较响应时间影响分析输入频率输出波形特征原因分析1kHz标准方波远低于比较器响应极限1MHz上升沿和下降沿明显变差，已不再是方波响应时间对输出波形产生较大影响5MHz输出波形几乎为一条直线信号半周期已小于比较器响应时间，输出状态来不及翻转实际应用注意事项：在选择器件时，要特别注意器件的参数是否满足要求，尤其是响应时间指标。噪声对输出波形的影响问题背景实际信号在传输过程中受到干扰或噪声影响含噪声信号在门限电压附近上下波动，造成比较器误判断导致输出电压在高、低电平之间反复跳变，影响后续电路仿真电路（a）(a)仿真图（用热噪声源与信号源串联，模拟含噪声正弦波）噪声影响仿真波形输入输出波形（b）(b)输入输出波形（前、后沿明显出现错误跳变）输出波形的前沿放大（c）(c)输出波形的前沿图3-6含噪声正弦波通过过零比较器的情况输出波形前后沿出现错误跳变，这是我们不希望看到的，需要引入滞回比较器加以改善。3.2滞回电压比较器引入正反馈的两大优势（"一举两得"）：优势一：改善输出波形正反馈加速了输出状态的转换，改善了输出波形的前后沿优势二：增强抗干扰能力通过正反馈将输出的两个状态送回比较器同相端，将单限比较器变为具有上、下门限的滞回比较器，使比较器具有很强的抗干扰能力3.2.1电路反相输入滞回电压比较器电路结构说明

3.2.1电路（续）反相输入滞回电压比较器及其传输特性本节内容为滞回比较器电路结构与传输特性的核心说明，详见第23页完整图示。核心特点

3.2.1电路（图示）反相输入滞回电压比较器电路结构

编者说明以下严格逐字复制原文所有图片URL，不做任何修改。后续各节内容均以原文为准。3.2.1电路（完整图示）反相输入滞回电压比较器及其传输特性电路结构说明

编者注以下严格逐字复制原文所有图片URL，不做任何修改。3.2.1电路反相输入滞回电压比较器电路（a）(a)电路

传输特性（b）(b)传输特性图3-7反相输入滞回电压比较器上下门限电压与回差

滞回比较器的特性分析传输特性说明（具有方向性）

抗干扰原理由于回差的存在，输出状态的跳变不再发生在同一个输入信号电平上。当含噪声信号作用于比较器时，只要噪声信号的幅度不大于回差，噪声就不会导致比较器输出状态的误跳变。3.2.2仿真例题：滞回比较器设计设计要求

电压传输特性测试方法在比较器输入端接入三角波，实现输入电压的正向和负向扫描示波器设置为"A/B"状态：A通道（纵轴）接输出电压，B通道（横轴）接输入电压滞回比较器仿真图与传输特性测量图3-8电压传输特性测量仿真测试结果回差：0.9827V（满足设计要求）输出高电平：4.955V输出低电平：-4.871V含噪声正弦波通过滞回比较器仿真电路（a）(a)电路输入输出波形（b）(b)输出波形图3-9含噪声正弦波通过滞回比较器的情况输出波形是很规则的矩形波，且波形的前后沿也很陡峭，成功抑制了噪声干扰。3.3应用电路概述：在实际应用中，要根据需要选用不同的集成芯片，并在电路中适当添加辅助电路，以提高电路的适应能力。主要考虑因素采用单电源供电模式利用运算放大器的非线性作比较器学习目标以下通过实际集成芯片仿真，了解电路的结构和特性。1.单电源供电的比较器电路(1)单限比较器仿真图（a）(a)仿真图电路特点

单限比较器仿真结果输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-10单电源供电的单限比较器仿真测试结果门限电压：2.4960V输出高电平：4.9284V输出低电平：18.2297mV(2)过零比较器（单电源供电）仿真图（a）(a)仿真图电路说明

过零比较器仿真结果输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-11单电源供电的过零比较器仿真测试结果门限电压：7.7378mV输出高电平：4.9979V输出低电平：105.8909mV2.由集成运放构成的电压比较器应用场景在要求工作速度不高的情况下，利用集成运放的非线性，将运放作为电压比较器使用，可构成低速比较器使用集成比较器时，与后续电路的接口没有问题使用运放时，输出电平通常较高，需使用接口电路适应数字电路逻辑电平1）滞回比较器（集成运放构成）仿真图（a）(a)仿真图电路说明

上下门限电压公式

集成运放滞回比较器仿真结果电压传输特性（b）(b)电压传输特性图3-12由集成运放构成的单电源供电滞回比较器输入输出波形（c）(c)输入输出波形仿真测试结果

2）带限幅电路的滞回比较器仿真图（a）(a)仿真图电路说明

带限幅电路的滞回比较器仿真结果电压传输特性（b）(b)电压传输特性图3-13单电源供电的带限幅电路的滞回比较器输入输出波形（c）(c)输入输出波形仿真测试结果

3.窗口比较器电路组成

窗口比较器仿真图与输出波形仿真图图3-14由双集成电压比较器LM2903D构成的窗口比较器输入三角波的输出波形图3-15窗口比较器输入三角波的输出波形参数设置

4.PWM调制电路PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制电路应用场景D类放大电路和开关电源电路工作原理在基本比较器中，将参考电压改为三角波输入信号（如正弦波）与三角波进行比较随着输入信号的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化仿真图（a）(a)仿真图输入输出波形（b）(b)输入输出波形图3-16PWM电路仿真3.4乘法器模拟乘法器基本概念：定义实现两个模拟量相乘的非线性电子器件端口结构两个输入端，一个输出端；输入电压和输出电压均对"地"而言输出表达式

模拟乘法器符号与等效电路电路符号（a）(a)电路符号等效电路（b）(b)等效电路图3-17模拟乘法器理想模拟乘法器条件

3.4.1电路1.乘方运算电路电路图图3-18乘方运算电路输出电压

乘方运算电路的倍频应用

第一项直流信号第二项输入信号的二倍频信号倍频电路实现：通过输出端的耦合电容隔离直流信号，从而得到二倍频信号，此时的电路称为倍频电路。2.除法运算电路将模拟乘法器置于集成运放的反馈支路中，构成除法运算电路。电路图图3-19除法运算电路负反馈条件

除法运算电路分析

3.开方运算电路将乘方运算电路置于集成运放的反馈支路中，构成开方运算电路。基本开方运算电路图3-20开方运算电路实用开方运算电路（加入二极管）图3-21实用开方运算电路开方运算电路分析负反馈条件分析（两种情况）：情况乘法器类型

前一种同相乘法器（k>0）必须<0>0后一种反相乘法器（k<0）必须>0<0前一种情况（同相乘法器）

后一种情况（反相乘法器）

开方运算电路的注意事项正反馈问题

解决方案

3.4.2仿真1.倍频电路(a)仿真图(b)输入输出波形图3-22倍频电路的仿真仿真条件乘法器：输出增益、X增益和Y增益均设为1V/V输入：峰值为1V、频率为1kHz的正弦信号输出端接入耦合电容和负载仿真结果：输出信号频率为输入信号的二倍，幅度为输入信号的一半。2.除法运算电路仿真仿真条件：因为V2应与乘法器k同号，故取V2为正值V1为12V时（a）(a)V1为12V，输出电压为-2.4VV1为-12V时（b）(b)V1为-12V，输出电压为2.4V图3-23除法电路仿真结果与理论值吻合很好。3.开方运算电路仿真仿真图图3-24开方运算电路仿真条件乘法器为同