第7章 电压比较器

uT 2
R1 R2 U oM uR R1 R2 R1 R2 18
迟滞 比较器
3.电压传输特性
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

R1 R2 uT U oM uR R1 R2 R1 R2 uo
设初始值: uo U oM U uT 1
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
4
4、电压比较器的性能指标
（1）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输入电 压称之为阈值电压或门限电平。 （2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。 （3）灵敏度：输出电压跳变的前后，输入电压之 差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高， 抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏 度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态 所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个 阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。 （4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称 之为响应时间。 5
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
这时, uo U oM 门限为uT 2
uo
UoM
UT2 UT1
0
-UoM
ui
设ui ,当ui uT 1 uo 从 U oM U oM
25
迟滞 比较器
上下门限电压
R1 uT 1 U oM R2
当 uR 0时，传输特性即为如图曲线； R
ui UR
+

+
uo
uo
+Uom
UR为参考电压 (阈值电压： P285定义)
0
-Uom
UR
ui
8
电压 比较器
若ui从反相端输入 （反相电压比较器）
UR ui
+

+
当ui < UR时 , uo = +Uom
uo 当u > U 时 , u = -U om i R o uo
+Uom
-Uom
0
UR
ui
9
电压 比较器
R1 ( R1 R2 ) uT 1 U oM uR R2 R2 R1 ( R1 R2 ) U oM uR R2 R2 24
uT 2
迟滞 比较器
3.电压传输特性 uR
R
ui
R1
－+ +
R2


uo
R1 ( R1 R2 ) uT U oM uR R2 R2
设初始值: uo U oM 门限为uT 1
[例2] 在左图（a）所示电路中，已知R1=50kΩ， R2=100kΩ，稳压管的稳定电压UZ=±9V，输入电压 uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波 形。
有正反馈, 双阈值
35
解：输出高电平和低电平分别为UZ=±9V，阈值电压
画出电压传输特性如图 （c）所示。根据电压 传输特性便可画出uo的 波形，如图（b）所示。 从波形可以看出，uI的 变化在±UT之间时，uo 不变，表现出一定的抗 干扰能力。两个阈值电 压的差值愈大，电路的 抗干扰能力愈强，但灵 敏度变差；因此应根据 具体需要确定差值的大 小。
D
为了限制集成运放 的差模输入电压，保护 其输入级，可加二极管 限幅电路 。
15
迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、 施密特触发器）
单限比较器的优缺点： uI
门限电平
单限比较器的优点是电路结 构简单，灵敏度高。但是，主要 0 缺点是抗干扰能力差。如果输入 电压因受干扰或噪声的影响，单 限比较器的输出端电压将会在高、uO 低两种电平之间频繁地反复跳变， 使电路不能稳定工作。波形示意 0 图如右所示：
问题：若反相端不是接 地，而是接参考电压 VREF，输出波形会有什 -Uom 么样的变化？
t
13
电压 比较器
用稳压管稳定输出电压
uo
ui
+

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
ui
+

+
UZ
uo
uo
+UZ
0
-UZ
忽略了正 向压降UF
ui
14
※
作用：a）使Uo∠0时的输出更接近0；b）DZ有存储 效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。
2．运放的工作状态 比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件 下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值， 即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输 入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论 仍然可用。
3
3．电压比较器的类型 常用的电压比较器有： 零电平比较器(过零比较器) 非零电平比较器(单限比较器) 迟滞比较器（滞回比较器） 窗口比较器(双限比较器) 简单比较器
U U uR
根据叠加原理，有 ：
R1 R2 U uo ui u R R1 R2 R1 R2
当 u o负饱和时(uo U oM ) ：
R1 ui u o R2

( R1 R2 ) u R uT R2
当 u o正饱和时( uo U oM ) ：
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
29
注意：
为了正确画出电压传输特性， 必须求出以下三个要素：
输出电压高电平UOH和低电平UOL的 数值； 阈值电压的数值UH（U+H、U+L）； 当ui 变化且经过UH时，uO跃变。跃 变的方向决定于同相比较器还是反相 比较器。
30
电压比较器是一种常见的模拟信号处理 电路，它将一个模拟输入电压与一个参考 电压进行比较，并将比较的结果输出。比 较器的输出只有两种可能的状态：高电平 或低电平，为数字量 ；而输入信号是连续 变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电 路和数字电路的“接口”。
第七章 信号的非线性处理
7.4.1 简单电压比较器 7.4.2 迟滞比较器 7.4.3 窗口比较器
1
第一节 简单电压比较器
电压比较器的主要作用是进行电平检测。
uI 参考电压 uR
0 uO
0
t
t
利用电压比较器进行电平检测波形示意图
2
1．电压比较器的功能 功能: 比较两个电压的大小(用输出电压的高或低 电平，表示两个输入电压的大小关系); 用途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还 可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。
v图2 o
+UoH
应用：电平显示器、逐次比较 A/D等。
0
-UoL
VT
11
vi
电压 比较器
二、零电平比较器 : 当UR =0时
uo
ui
+

+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
+

+
uo +UOM
ui
uo
0
-UOM
ui
12
电压 比较器
例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。 ui
+
ui
t

+
uo
uo
+Uom
uI
正向门限电平
滞回比较器可以组成 矩形波、锯齿波等非正弦 信号发生电路，也可以实 现波形变换。与单限比较 器相比，滞回比较器的主 要优点是抗干扰能力强。 波形示意图如右所示：
UT+
负向门限电平 UT-
0 uO 0
-UZ
t
+UZ
t
28
干扰太大，滞回 功能会失效
uI
UT+ 负向门限电平 UT正向门限电平
5．电压比较器的分析方法
按理想情况分析
若U-＞U+ 若U-＜U+ 则UO=-UOM； 则UO=+UOM。理想 情况ຫໍສະໝຸດ uo+UOM
实际 情况
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
Ui=U--U+
发生跳变，必然发生在U-=U+ 的时刻。
虚断（运放输入端电流=0）
-UOM 电压比较器在输出状态 跳变过程中，运放可视为在 线性区工作。 6
=10V
=2V
22
迟滞 比较器
ui
UR
R
－+ +
R1 R2

uo
ui
10V
2V
t
uo
传输特性
uo
+UOM
+UOM
uT2 0 -UOM
2V
uT1
10V
t
ui
-UOM
23
迟滞 比较器
二.迟滞比较器(上行)（同相迟滞比较器） 2.阈值估算 1.电路结构 临界跳变时：
uR
R
ui
R1
－+ +
R2

uo
iP i N 0
uREF为参考电压，根据比 u 较器在临界状态条件可 求得电路的阈值电压。 u 图1：
R1 R2
REF
u
N
i
+
, uo R
u
P
uo
R1 R2 uN ui uREF uP 0 R1 R2 R1 R2
图1
当uREF 当uREF
R2 uT ui uREF R1 , 0，ui uT，uN 0时，uo U OH , 0，ui uT，uN 0时，uo UOL
R1 R2