集成运放组成的电压比较器

1. 功能及应用:主要用来判断输入信号电位之间的相对大小,它至少有两个输入端及一个输出端,通常用一个输入端接被比较信号Ui,另一个则接基准电压VR 定门限电压(或称阀值)的UT。输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波,应用于模-数转换,波形产生及变换,及越限警等。

2. 运放的工作状态:开环和正反馈应用:运放在线性运用时,由于开环增益一般在105以上,所以其对应的输入的线性范围很小,Ui数量级,为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈,降低其开环增益。而比较器则希望其输入的线性范围越小越好(即比较灵敏度越高)采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。见图8.2.1,请注意横、纵坐标标度的不同

(1) 从途中可化称

(2) 若Ui发出变化,使Uo从负波饱和值突变到正饱和值,只在经过极窄的线性区

时,才遵循在线性工作时才特有的“虚短”,其它时刻“虚短”不复存在。

(3) 若横坐标采用与纵坐标相同的标尺,则线性部分特性与纵轴合拢。

(4) 若用正反馈使Aod↑,则可缩短状态的转换时间。

3. 分类:

(1) 单限比较器

(2) 迟滞比较器(Schmitt)

(3) 双限比较器(窗口比较器)

二. 单限比较器

1. Ui与UR分别接运放两输入端的开环串接比较器,见图8.2.2

ΔUi>UR Uo=+Uom

ΔUi

ΔUi=UR Uo发生翻转(或称突变)

UT=UR 谶纬门限电压或阀值,若UR=0称为过零比较器

Δ当Ui与UR互换位置,此时Uo以Ui=UR为对称轴与交换量对称。

2. Ui与UR并联在运放同一输入端时的开环并接比较器 见图8.2.3

Δ在同相端可作Therenin等效

当Uoc>0时,即

  Uo=+Uom

当Uoc

  Uo=-Uom

可见

Δ若把运放的同相端

  与反相端互换,则与图8.2.2(b)类同

三. 迟滞比较器(正反馈比较器)

其特点 抗干扰能力较强。在单限比较器种,如果Ui受到干扰,在阀值附近回出现Ui+ΔUi(干扰信号多出现在阀值电压上,下波动,以致出现条纹误翻转,而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压,输入的干扰信号不能使状态误翻转。

1. 两种迟滞比较器的传输特性 见图8.2.4

动画演示

迟滞比较器在单调区间内只能变化一次;

对于反相:Ui从小变到大时,Uo一直为高电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为低电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为低;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为高电平

对于同相:Ui从小变到大时,Uo一直为低电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为高电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为高;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为低电平

Δ同相型:Ui接运放同相端

反相型:Ui接运放反相端

Δ均由二根传输特性(1),(2)合成,同相型. 当Ui从低值↑≥UTH,Uo从UOL↑UOH;当Ui从高值↓≤UTL时,Uo从UOH↓UOL。    反相型则类同。

Δ UTH,UTL为二个阀值,ΔUT(回差)=UTH-UTL

Δ |UOH|=|UOL|或|UOH|≠|UOL|根据输出是否有箝位电路而定。

2. 二种基型迟滞比较器

(1) 反相型迟滞比较器 见图8.2.5

Ui=U-,Uo被箝位在±UZ,避免运放计入过饱和。

假设Ui在足够低时,Ui

此时

Δ当Ui从低值↑ 若Ui≥U+时,Uo从+UZ↓ -UZ

此时

Δ当Ui从高值↓至Ui≤

  ,Uo从-UZ↑+UZ

Δ门限宽度ΔUT=UTH-UTL=

Δ当UR=0时,

ΔUi无论从足够低或足够高单调增加或单调减少,Uo仅翻转一次,即过了阀值后就维持在一种稳态。因为当过阀值电压后,Uo从低变为高或从高变为低了,正反馈到Ur(Uth)端,使该阀值电压变高或变低了。只要门限宽度ΔUT=UTH-UTL

幅度大于UI  在阀值电压波动的幅度,Uo就不会翻转了,所以比单限比较器抗干扰能力强多了。

(2) 同相迟滞比较器 见图 8.2.6

UTL=U-

设Ui足够低,使U+

若要使Uo从-UZ上升到+UZ,必须使Ui↑,以致使U+≥U-=UR才行,而此时对应UR的Ui=UTH

Δ当Ui从低值↑,使

  此时Uo从-UZ↑+UZ

Δ当Ui从高值↓,使

  时所对应的Ui=UTL

  此时Uo从+UZ↓-UZ

同上面反相型类同,Ui单调升或单调降,Uo只改变一次状态,过了阀值后只维持在一种稳态上。

我的理解:首先求出阀值电压;阀值电压是在放大器处在线性区域时求得的,不过在正反馈中,线性区域很窄。在该区域,才可以用到虚断和虚短的概念。

(在正反馈状态下,只有在输出电压发生跳变瞬间,集成运放两个输入端之间的电压才可近似等于0,才能用到虚断和虚短的)

Vp=Vn=Ur

Vr=R1*Ui/(R1+R2)+ R2*Uo/(R1+R2)      (1)

而门限电压是对于输入电压来说的,当输入电压大于或小于这个Uth时,输出就会有跳变。所以

当Ui= Uth时,这时的输入电压就是门限电压:

而由(1)式可求出,Uth=Ui=Ur(R1+R2)/R1 – R2Uo/R1,(Uo=+-Uz)

四. 双限比较器 (窗口比较器)

其特点是Ui单调升或单调降,Uo均有两次突变,与单限比较器和迟滞比较器有区别,因此它可以判别Ui是否在两个电平之间。它实际上由二个单限开环比较器组成,D1,D2作用为隔断,Uo1,Uo2连接通路,避免Uo1,Uo2极性相反时,互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。

ΔUi

ΔUi>URH(>URL)

ΔURL

Δ采用上面窗口比较器可以区分三极管β是否在需要范围内,比如记为合格范围为 50100均要取出,则可用发光二极管亮表示一种越限极警,不亮记为可通过即β合格。

Δ改接一下上述输入输出回路即方便可得

分析上面的等效三极管电路,e端接15v,b端通过下拉电阻接地,从而b端电压为(15-0.7)v,c端同样接下拉电阻接地,只要c端的Ui电压比b端电压低,就能保证集电结的反偏

要区分β=50,100 找出时应得URL及URH

对应图 8.2.7(b) 传输特性可画出β与Uo的关系

1. 功能及应用:主要用来判断输入信号电位之间的相对大小,它至少有两个输入端及一个输出端,通常用一个输入端接被比较信号Ui,另一个则接基准电压VR 定门限电压(或称阀值)的UT。输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波,应用于模-数转换,波形产生及变换,及越限警等。

2. 运放的工作状态:开环和正反馈应用:运放在线性运用时,由于开环增益一般在105以上,所以其对应的输入的线性范围很小,Ui数量级,为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈,降低其开环增益。而比较器则希望其输入的线性范围越小越好(即比较灵敏度越高)采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。见图8.2.1,请注意横、纵坐标标度的不同

(1) 从途中可化称

(2) 若Ui发出变化,使Uo从负波饱和值突变到正饱和值,只在经过极窄的线性区

时,才遵循在线性工作时才特有的“虚短”,其它时刻“虚短”不复存在。

(3) 若横坐标采用与纵坐标相同的标尺,则线性部分特性与纵轴合拢。

(4) 若用正反馈使Aod↑,则可缩短状态的转换时间。

3. 分类:

(1) 单限比较器

(2) 迟滞比较器(Schmitt)

(3) 双限比较器(窗口比较器)

二. 单限比较器

1. Ui与UR分别接运放两输入端的开环串接比较器,见图8.2.2

ΔUi>UR Uo=+Uom

ΔUi

ΔUi=UR Uo发生翻转(或称突变)

UT=UR 谶纬门限电压或阀值,若UR=0称为过零比较器

Δ当Ui与UR互换位置,此时Uo以Ui=UR为对称轴与交换量对称。

2. Ui与UR并联在运放同一输入端时的开环并接比较器 见图8.2.3

Δ在同相端可作Therenin等效

当Uoc>0时,即

  Uo=+Uom

当Uoc

  Uo=-Uom

可见

Δ若把运放的同相端

  与反相端互换,则与图8.2.2(b)类同

三. 迟滞比较器(正反馈比较器)

其特点 抗干扰能力较强。在单限比较器种,如果Ui受到干扰,在阀值附近回出现Ui+ΔUi(干扰信号多出现在阀值电压上,下波动,以致出现条纹误翻转,而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压,输入的干扰信号不能使状态误翻转。

1. 两种迟滞比较器的传输特性 见图8.2.4

动画演示

迟滞比较器在单调区间内只能变化一次;

对于反相:Ui从小变到大时,Uo一直为高电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为低电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为低;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为高电平

对于同相:Ui从小变到大时,Uo一直为低电平,只有当Ui到达上门限电压时,Uo翻转为高电平,之后随着Ui不断增大,Uo始终为高;在Ui减小时,必须减到下门限电压时,Uo才会翻转为低电平

Δ同相型:Ui接运放同相端

反相型:Ui接运放反相端

Δ均由二根传输特性(1),(2)合成,同相型. 当Ui从低值↑≥UTH,Uo从UOL↑UOH;当Ui从高值↓≤UTL时,Uo从UOH↓UOL。    反相型则类同。

Δ UTH,UTL为二个阀值,ΔUT(回差)=UTH-UTL

Δ |UOH|=|UOL|或|UOH|≠|UOL|根据输出是否有箝位电路而定。

2. 二种基型迟滞比较器

(1) 反相型迟滞比较器 见图8.2.5

Ui=U-,Uo被箝位在±UZ,避免运放计入过饱和。

假设Ui在足够低时,Ui

此时

Δ当Ui从低值↑ 若Ui≥U+时,Uo从+UZ↓ -UZ

此时

Δ当Ui从高值↓至Ui≤

  ,Uo从-UZ↑+UZ

Δ门限宽度ΔUT=UTH-UTL=

Δ当UR=0时,

ΔUi无论从足够低或足够高单调增加或单调减少,Uo仅翻转一次,即过了阀值后就维持在一种稳态。因为当过阀值电压后,Uo从低变为高或从高变为低了,正反馈到Ur(Uth)端,使该阀值电压变高或变低了。只要门限宽度ΔUT=UTH-UTL

幅度大于UI  在阀值电压波动的幅度,Uo就不会翻转了,所以比单限比较器抗干扰能力强多了。

(2) 同相迟滞比较器 见图 8.2.6

UTL=U-

设Ui足够低,使U+

若要使Uo从-UZ上升到+UZ,必须使Ui↑,以致使U+≥U-=UR才行,而此时对应UR的Ui=UTH

Δ当Ui从低值↑,使

  此时Uo从-UZ↑+UZ

Δ当Ui从高值↓,使

  时所对应的Ui=UTL

  此时Uo从+UZ↓-UZ

同上面反相型类同,Ui单调升或单调降,Uo只改变一次状态,过了阀值后只维持在一种稳态上。

我的理解:首先求出阀值电压;阀值电压是在放大器处在线性区域时求得的,不过在正反馈中,线性区域很窄。在该区域,才可以用到虚断和虚短的概念。

(在正反馈状态下,只有在输出电压发生跳变瞬间,集成运放两个输入端之间的电压才可近似等于0,才能用到虚断和虚短的)

Vp=Vn=Ur

Vr=R1*Ui/(R1+R2)+ R2*Uo/(R1+R2)      (1)

而门限电压是对于输入电压来说的,当输入电压大于或小于这个Uth时,输出就会有跳变。所以

当Ui= Uth时,这时的输入电压就是门限电压:

而由(1)式可求出,Uth=Ui=Ur(R1+R2)/R1 – R2Uo/R1,(Uo=+-Uz)

四. 双限比较器 (窗口比较器)

其特点是Ui单调升或单调降,Uo均有两次突变,与单限比较器和迟滞比较器有区别,因此它可以判别Ui是否在两个电平之间。它实际上由二个单限开环比较器组成,D1,D2作用为隔断,Uo1,Uo2连接通路,避免Uo1,Uo2极性相反时,互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。

ΔUi

ΔUi>URH(>URL)

ΔURL

Δ采用上面窗口比较器可以区分三极管β是否在需要范围内,比如记为合格范围为 50100均要取出,则可用发光二极管亮表示一种越限极警,不亮记为可通过即β合格。

Δ改接一下上述输入输出回路即方便可得

分析上面的等效三极管电路,e端接15v,b端通过下拉电阻接地,从而b端电压为(15-0.7)v,c端同样接下拉电阻接地,只要c端的Ui电压比b端电压低,就能保证集电结的反偏

要区分β=50,100 找出时应得URL及URH

对应图 8.2.7(b) 传输特性可画出β与Uo的关系


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