电压比较电路

十六 电压比较电路
一、电压比较器的基本概念：
电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。

电压比较器的功能是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。

此外，由于高电平相当于逻辑“1”，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.
由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。

电压比较器的电路符号
二、电压比较器的基本特性：
1. 输出 高电平(U oH )和低电平(U oL )
用运放构成的比较器，其输出的高电平U OH 和低电平U OL 可分别接近于正电源电压(U CC )和负电源电压(-U CC )。

2. 鉴别灵敏度
理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限U T 处具有阶跃的传输特性。

这就要求运放：
实际运放的A Ud 不为无穷大。

在U T 附近存在着一个比较的不灵敏区。

在该区域内输出既非U OH ，也非U OL ，故无法对输入电平大小进行判别。

显然，A Ud 越大，则不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。

3.转换速度
作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。

ud A =∞
u u EE
u -u +
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。

理想集成运放非线性应用时的特点
非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。

非线性应用特点：
反相电压比较器 电路如图所示， 输入信号U i 加在反相端，参考电压U r 加在同相端。

i ＜ u r ， u o =u OH i ＞ u r ， u o =u OL
当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。

0o CC oL o CC oH
i i u u u U U u u u U U +--+-+
==>≈-=<≈+=
同相电压比较器电路如图所示，输入信号U i加在同相端，参考电压U r 加在反
相端。

i < u r，u o=u ol u i > u r，u o=u oH
当参考电压为零时，则为同相过零比较器。

其传输特性U O= f ( u i )
简单比较器应用中存在的问题
1. 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；
2. 抗干扰能力差。

在比较门限处，输出将产生多次跳变。

为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。

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。

迟滞比较器又称施密特触发器, 滞回比较器。

这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。

UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。

以图2.1(a)所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性
图2.1 滞回比较器及其传输特性：
(a)反相输入；(b)同相输入
1.正向过程
正向过程的阈值为
形成电压传输特性的abcd段
2，负向过程
负向过程的阈值为
形成电压传输特性上defa段。

由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。

利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图2.1(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值
两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。

由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。

即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

图2.2 比较器的波形变换
(a)输入波形；(b)输出波形
例如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图2.3(a)、(b)所示。

根据传输特性和两个阈值(UTH1＝2V, UTH2=–2V)，可画出输出电压uo的波形，如图2.3(c)所示。

从图(c)可见，ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。

但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。

三、 比较器的应用
3.1.窗口比较器
窗口比较器的电路如图3.1所示。

电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。

设R 1 =R 2，则有：
图3.1窗口比较器
窗口比较器的电压传输特性如下图3.2所示.
当v I>V H 时，v O1为高电平，D3导通；v O2为低电平, D4截止，v O= v O1。

当v I<V L 时，v O2为高电平，D4导通；v O1为低电平，D3截止，v O= v O2。

当V H >v I> V L 时，v O1为低电平，v O2为低电平，D3、D4截止，v O 为低电平。

图3.2 窗口比较器的电压传输特性
3.2 比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图3.3所示
D
L H D CC 212D CC L 2=)
2(2
1
)2(=
V V V V V R R R V V V +-=+-
(a) 正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰正弦波变换为方波
图3.3比较器原理图
非正弦波发生电路 1．方波发生电路
方波发生电路是由滞回比较电路和RC 定时电路构成的，电路如图3.4所示。

图3.4 方波发生电路
电源刚接通时, 设 电容C 充电， 升高。

参阅图3.5：
图3.5方波发生电路 输出波形
2
1Z 2P Z O C ,,0R R V R V V v v +=
+==所以C v
当 时， ，
所以 电容C 放电， 下降。

当 ， 时，返回初态。

方波周期Ｔ用过渡过程公式可以方便 地求出
2．三角波发生电路
三角波发生器的电路如图3.6所示。

它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。

图3.6三角波发生器电路
（1）当v O1=+V Z 时,则电容C 充电, 同时v O 按线性逐渐下降，当使A1的V P 略低于V N 时，v O1 从+V Z 跳变为-V Z 。

波形图参阅图3.7
图3.7三角波发生器电路输出波形
P N C V V v ≥=Z O V v -=2
1Z
2P R R V R V +-
=C
v P N C V V v ≤=Z O V v +=)21ln(21
2
f R R C R T +
=
（2）在v O1=-V Z 后，电容C 开始放电，v O 按线性上升，当使A1的V P 略大于零时，v O1从-V Z 跳变为+ V Z ，如此周而复始，产生振 荡。

v O 的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值也相等，故v O 为三角波。

（3）输出峰值
（4）振荡周期：
3 . 锯齿波发生电路
锯齿波发生器的电路如图3.8所示。

显然，为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。

图中的二极管D 和R '将使充电时间常数减为(R ∥R')C ，而放电时间常数仍为RC 。

锯齿波电路的输出波形图如图3.9所示。

图3.8锯齿波电路
锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。

锯齿波的幅值为：v o1m =|V z|= v om R 2/R 1 v om = |V z| R 1/R 2于是有
Z 2
1
m o V R R V =
Z 2
1
m o V R R V -
=m o 2
/0
4
Z
21V dt R V C
T =⎰
2
14Z m o 444R C
R R V V C
R T ==RC R R T V R R T RC V 2
1
2z 2
12z 22==C R R R R T )'//(22
1
1=
图3.9锯齿波电路输出波形。