第3章 电压比较器
电压比较器
电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并输出高电平或低电平，据此来判断输入信号的大小和极性。
电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模拟以及越限报警等许多场合。
电压比较器通常由聚成运放构成，与其他不同的是，比较器中的集成放大多处于开环或反馈状态。
只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。
在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚断及续地等概念仅在判断临界情况时才适应。
比较器可以利用通用集成运放组成，也可以采用专用的集成比较器组件。
对他的要求是电压幅度鉴别的准确性、稳定性、输出电压反映的快速性以及抗干扰能力等。
下面分别介绍几种比较器。
1 电平比较器（过零比较器）通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。
有时，为了和后面的电路相连接以适应某种需要，常常希望减小比较器输出幅度，为此采用稳压管限幅。
为了使比较器输出的正向幅度和负向幅度基本相等，可将双向击穿稳压二极管接在电路的输出端或接在反馈回路中。
为了防止输出信号过大，损坏集成运放，除了在比较器的输出回路中串联接入电阻外，还可以在集成运放的两个输入端之间并联两个相互反接的二极管。
2任意电平比较器（非过零比较器）将零电平比较器中的接地端改成一个参考电压Ur（高为直流电压），由于Ur的大小和极性均可调整，电路称为任意电平比较器或称非过零比较器。
电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低电平之间反复跳变，可能使输出状态产生误动作。
为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较器。
3滞回电压比较器滞回电压比较器又称施密特触发器。
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，他有两个阈值，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。
集成运放输出端至反相输入端为开环。
《电压比较器 》课件
电压比较器通常由运算放大器（OpAmp）或差分放大器构成，其工作原 理基于运算放大器的非线性特性。
电压比较器的应用场景
电压比较器在各种电子设备和系 统中广泛应用，如模拟-数字转 换器、自动控制系统、传感器接
口等。
在电源管理中，电压比较器用于 检测电源电压是否正常，从而保 护电路免受过压或欠压的损害。
电压比较器的电源电路设计
电源电压范围
电源电路应能够提供稳定的电源 电压，以满足电压比较器的正常
工作需求。
电源噪声抑制
为了减小电源噪声对比较器性能的 影响，电源电路应具有噪声抑制功 能。
电源效率
为了降低能耗和提高系统稳定性， 电源电路应具有较高的电源效率。
04
电压比较器的应用实例
电压比较器在信号处理中的应用
电压比较器的线性工作范围问题
总结词
线性工作范围是电压比较器的重要性能指标，如果超出其线性范围，电压比较器的输出可 能失真或不稳定。
详细描述
电压比较器的线性工作范围受到其内部电路设计和制造工艺的限制。当输入信号的幅度超 过一定范围时，电压比较器的输出可能不再是理想的阶跃信号，而是出现失真或振荡现象 。
未来电压比较器的发展方向
研究新型的电压比较器结构和设计方 法，以提高性能和降低成本。
加强电压比较器的智能化和自适应控 制研究，以提高其适应性和应用范围 。
探索电压比较器与其他电子器件的集 成和优化，以实现更小尺寸和更高可 靠性的系统。
拓展电压比较器的应用领域，如物联 网、人工智能、新能源等新兴领域， 以满足不断增长的市场需求。
阈值检测
在自动控制系统中，电压比较器用于检测系统参数是否超过预设 阈值，从而触发相应的控制动作。
调节系统
电压比较器与应用PPT课件
25
2020/7/27
26
V
R1
R
V R2 i
-
R4
Байду номын сангаас
V
o
+ R3
VZ
VTH1(1R R2 3)VRR R2 3VOL
VTH2 (1R R23)VRR R23VOH
❖ 两个阈值的差值称为回差：
2020/7/27
VTHVTH1VTH 2
27
滞回电压比较器
2020/7/27
28
滞回电平比较器
❖滞后电平可用R2调节，只要ΔV选择 合适，就可消除上述“振铃”现象， 从而大大提高抗干扰能力。但滞后 电平ΔV的存在，会使检测灵敏度变 差，所以ΔV不宜取得过大，通常 R2<< R3。
V
R1
i
V
R2
R
-
R4
V
o
+ R3
VZ
+VZ
-VZ
Vi
2020/7/27
24
Vi R1 VR R2
-
R4
Vo
+ R3
V Z
R1=10K，R2=15K，R3=30K，R4=3K，VR=0V， VZ=6V，根据式（3-25）和式（3-26）计算 VTH1=2V, VTH2 = -2V。
2020/7/27
2020/7/27
29
四、窗口比较器
❖窗口比较器的功能是判断输入 信号电平是否在某一范围之内。
❖由两个任意电平比较器适当组 合而构成。
当i
R1
从足够低逐渐上升到阈值时VTH1=
Vo
-
R4
V
+VZ
电压比较器及其应用教学内容
电压比较器及其应用电压比较器及其应用在最常用的简单集成电路中，电压比较器仅次于排名第一的运算放大器而排名第二。
各类教科书及相关出版物中可以经常看到关于运算放大器的理论、设计和使用方法的知识内容，而关于比较器的知识内容明显较少。
我们在中等职业技术教学中，补充了一些知识内容，弥补这些不足。
一、电压比较器简介电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
其功能是比较两个输入电压（或者说一个基准电压和一个待比较电压）的大小，并用输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压比较的结果：当“＋”输入端（同相输入端，下同）电压高于“－”输入端（反向输入端，下同）时，输出为高电平；当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，输出为低电平。
电压比较器可以用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形的产生和变换等。
利用电压比较器可将正弦波变换为同频率的方波或矩形波。
电压比较器的输入是线性量，而输出是开关量（高电平或低电平）。
一般应用中，可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。
所有的运算放大器都可用作电压比较器，例如LM324、LM358、μA741、TL081、OP27等，这些都可以做成电压比较器。
LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合。
电压比较器有的使用单电源工作，如图1所示。
有的单电源和双电源都可以使用，图2所示使用的就是双电源。
我们经常使用的四电压比较器LM339，既可使用最大值36V的单电源，也可使用±18V的双电源。
电压比较器的输出端，有的自身可以输出高电平及低电平，例如输出级采用推挽式结构的；而有的电压比较器输出级是一只集电极开路的三极管，称作集电极开路输出，参见图3。
也有场效应管漏极开路输出型，与集电极开路输出型类似。
对于集电极开路输出和漏极开路输出的电压比较器，使用时要连接上拉电阻R，输出端才可能有高电平，如图4所示。
电压比较器的原理
电压比较器的原理
电压比较器是一种电子器件，用于比较两个电压的大小，并根据比较结果输出不同的电平信号。
其原理如下：
1. 输入端比较：电压比较器通常有两个输入端，分别为非反馈输入端和反馈输入端。
非反馈输入端一般作为比较器的参考电压输入端，而反馈输入端则接收待比较的电压。
2. 比较电压大小：非反馈输入端的电压被称为参考电压（Vref），而反馈输入端接收待比较的电压（Vin），比较电压大小的方式有多种。
常见的比较方式包括压差比较和阈值比较。
- 压差比较：当参考电压高于待比较电压时，输出高电平；当参考电压低于待比较电压时，输出低电平。
- 阈值比较：确定一个阈值（Threshold），当待比较电压高于阈值时，输出高电平；当待比较电压低于阈值时，输出低电平。
3. 输出信号：根据比较结果，电压比较器输出不同的电平信号。
通常输出端有两种状态：高电平（通常为正电压）和低电平（通常为零电压）。
- 当比较结果为参考电压高于待比较电压时，输出高电平。
- 当比较结果为参考电压低于待比较电压时，输出低电平。
4. 应用：电压比较器常用于模拟电路中，用于判断电压的大小关系并输出相应的判断结果。
它可以用于电压级别转换、触发器、开关控制等应用场景。
三章电压比较器弛张振荡器及模拟开关ppt课件
第3章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关 图3.2.4 双运放方波–三角波振荡器输出波形
第3章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关
1.uo1和uo2
1)uo1 由图可见，uo1的高电平UoH=UCC，低电平UoL=-UEE， 所以其峰峰值为
UoLpp 2UCC
(3.2.9)
uo2为三角波。当uo1为高电平时，C充电，充电电
流
iC
UoH R
(α为电位器RW的分压比)，uo2随时间线性
下降。再看A1，其反相端接地，当U+过零时， A1输出
状态翻转，而U+等于uo1和uo2的叠加，即
第3章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关
U
R1 R1 R2
U oH
R2 R1 R2
图3.1.10 A1、A2传输特性
uo1 5ui 51.6sin t 8sin t(V ) 波形如图3.1.9(c) 所示。
U TH
10K 10K 10K
U
CC
6V
UTL 6V 波形如图3.1.9(d) 所示。
第3章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关
3.2 弛张振荡器
弛张振荡器即方波–三角波产生器。对于方波信号 发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳。 为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发 生器称之为弛张振荡器。
U TH
Ur1
R1
R1 R2
U oH
R1
R1 R2
U
CC
(3.1.3)
第3章 电压比较器、弛张振荡器及模拟开关
而后，ui再增大，uo将维持在低电平。注意此时比 较器的参考电压Ur也将发生变化，即
电压比较器演示ppt(ppt)
+
UR
uRo 1
R2
传输特性
设初始值: uo U oMU uT1
设ui ,当ui uT1 uo从UoM UoM
+UOM
0
-UOM
uT2
uT1
这时, uo U oMU u T2
ui 设ui ,当ui uT2
uo从UoM UoM
迟滞 比较器
传输特性
当uR 0时，传输特性即为如图曲线；
uo
+Uom
uT1
UR
电压 比较器
uREF为参考电压，根据比 较器在临界状态条件可
uREF
求得电路的阈值电压。 ui
R1 R2
uN -
uo, R
图1：
uP +
uo
u NR 1R 1R 2u iR 1R 2R 2u RE F u P0 图1
uT
ui
R2 R1
uREF
当 u RE F 0 ， u iu T ， u N0 时 u o ,， U OHu o u Z
当ui > UR时 , uo = +Uom 当ui < UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
UR ui
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ui > UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
ui
uo iP iN 0 U Uui
根据叠加原理，有 ：
UR1R 1R2uoR1R 2R2uRuT
电压比较器及双稳态触发器介绍
主要内容
一、电压比较器概念 二、电压比较器分类 三、双稳态触发器介绍 四、双稳态触发器分类 五、触发器的应用
五、触发器的应用
（一）、概述 在数字电路中，各种信息都是用二进制这一基本工作 信号来表示的，而触发器是存放这种信号的基本单元。 由于触发器结构简单，工作可靠，在基本触发器的基 础上能演变出许许多多的其他应用电路，因此被广泛运用。 特别是时钟控制的触发器为同时控制多个触发器的工作状 态提供了条件，它是时序电路的基础单元电路，常被用来 构造信息的传输、缓冲、锁存电路及其他常用电路。
二、电压比较器分类
（二）、过零比较器
电路如下图所示为加限幅电路的过零比较器，DZ为限幅 稳压管。信号从运放的反相输入端输入，参考电压为零,从 同相端输入。当Ui＞0时，输出UO＝-(UZ+UD)，当Ui＜0时， Uo＝+(UZ+UD)。其电压传输特性如图（b）所示。
(a) 过零比较器 (b) 电压传输特性 过零比较器
状态表
输 R 0 0 1 1 S 0 1 0 1 1 入 Qn 0 1 0 1 0 1 0 输出 Qn+1 × × 0 0 1 1 0 1 保持不变 置1 置0 不定 逻辑功能
四、双稳态触发器分类
特征方程：
Q n 1 S RQ n
R+S=1 (约束条件)
波形图：
S R 状 态 不 定
Q Q
四、双稳态触发器分类பைடு நூலகம்
2.功能分析： 按上图的逻辑电路，同步JK触发器的功能分析如下： 1.当CP=0时，R=S=1，Qn+1=Qn触发器的状态保持 不变。 2.当CP=1时，将R=K*CP*Qn=KQn，S=J*CP*Qn= JQn 代入Qn+1=S+RQn, 可得: 特性方程 Qn+1=JQn+KQn
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一. 方波振荡器(多谐振荡器） 方波振荡器是由运放构成反相迟滞比较器，再加一条
RC充放电支路构成。 反相迟滞比较器的传输特性及其上、下门限分别为：
U TH R2 U oH R1 R2
R
A
U TL
R2 U oL R1 R2
U oL＝- U oH
ui
C
UoH
uo
UTH
＋
R1 R2
uo
电平UoL。
R'
+
A
ui
R1
uo
R2
此时，同相端电位u+为 R2 R1 UTH U ui U oL=0 R1 R2 R1 R2 当ui由负增大到使U+′=0时，输出将由低电平跳变为
高电平。此时的ui即为上门限电压UTH。 R1 由上式解得 U TH U oL R2 输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为
ui
A + ur
-
uo
uo
UoH
当 ui < ur ， uo=UOH ui > ur ， uo=UOL
0
UoL
0
ur
ui
当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。
2. 同相电压比较器 电路如图所示， 输入
ui + A
uo
信号ui加在同相端，参考
电压ur 加在反相端。 当 ui < ur ， uo=UOL ui > ur ， uo=UOH 其传输特性 uo= f ( ui )
1
RC
则振荡频率 f 1 1 0
2R2 RC ln(1 ) R1
T
2T 1
2 R2 2 RC ln(1 ) R1
[例1]. 已知 R1 =R2 =10kΩ， R =25kΩ，C =0.1μF。
试求输出方波的频率fo。
uo
ui
C
＋
R
A
UoH UTH
R1 R2
uo
0 UTL UoL T1 T2
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。
uo
UoH
转换时间
t2
t1
t
UoL
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。
uu+
i-
i+ +
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。
uu+
i-
i+ +
-A
i i 0 u u u u
uo
非线性应用特点：
uo UCC UoL uo UCC UoH
此时，两输入端“虚短路”的概念不再适用。
3.1.1 简单电压比较器 一. 反相电压比较器 电路如图所示， 输入信号ui加 其传输特性 uo= f ( ui ) 在反相端，参考电压ur 加在同相端。
12
ur
-12
t
同相比较器
[例2].将不规则的输入波 形整形成规则的矩形波。
[例3].若ur 为三角波，而ui 为缓 变信号，实现脉宽调制。
反相过零比较器
反相比较器
简单电压比较器
一. 反相电压比较器
ui A + ur
2. 同相电压比较器
-
uo
ui
+
A
uo
ur
其传输特性 uo= f ( ui )
此时的输入电压称为下门限电压，记为UTL。 UTL= U 对应的传输特性曲线如图所示。
由于其传输特性很像磁 性材料的磁滞回线，所以称 之为迟滞比较器或滞回比较 器。 迟滞比较器的上、下门限电
UTL
UoH
∆U
0
uo
UTH
ui
压之差称之为回差，用ΔU表示，即
UoL
U UTH
R1 R1 UTL (U oH U oL ) 2U CC R1 R2 R1 R2
二. 迟滞比较器––双稳态触发器
ui
R' +
Uf
+
A
uo
R2
R'
+
A
ui
R1
uo
R2
-
R1
R UTH 1 U oH R1 R2
R1 U TL U oL R1 R2
UTL
UoH
uo
UoH
uo
U TH R1 U oL R2
0
UTH
ui
UTL
0
UTH
ui
U TL
UoL
UoL
uo
uo
UoH
UoH
0
0
UoL
ur
ui
0
UoL
ur
ui
3.1.2. 迟滞比较器––双稳态触发器
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。 一.反相迟滞比较器 反相迟滞比较器电路如
回差ΔU的大小，将决定比较器的抗干扰能力， ΔU越 大，则抗干扰能力越强。但同时使比较器的鉴别灵敏度降
低。因为输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出 电平不可能转换。
[例4]. 若 ui=5sinωt V ， R1 =10k， R2 =50k ，UCC =12V。
试画出反相迟滞比较器的输出波形。
t
T
2R2 T1 RC ln(1 ) R1
1 1 1 f0 T 2T 1 2 RC ln(1 2 R2 ) R1
二. 三角波-方波振荡器
电路组成原理
ui
C
A
＋
R R1 R2
ui -
uo
A
＋
uo1 R1 R2 R C
uo
O
ui
UTH 0 UTL
ui
R
C
ui
UTH
0
uo1 t
R1 R2
uo
UTH
UTL
0
ui
UoL
振荡器电路中电容器端和输出的电压波形
uo
ui
C
＋
R
A
R1 R2
uo
UoH UTH
0
uC
t
UoH
ui
UTH
UTL UoL
UTL
uo
UoL
下面来计算振荡频率f0
首先计算周期T。T=T1+T2，
uo
UoH UTH 0 UTL UoL T1 T2
T1=T2，T=2T1。根据三要素法：
其中 U C 0 ） U TL （
U C ） U oH （ uC (T1 ) U TH
uC () uC (0 ) T 1 ln uC () uC (T 1)
R2 U oL R1 R2
t
T
R2 U oH R1 R2
U oH U TL T1 ln U oH U TH
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
UCC
UCC
uu+
C
uuo
+
A
-UCC
+
-UEE
u+
电压比较器的基本特性
1. 输出 高电平(UoH)和低电平(UoL) 用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH和低电平
UoL可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压(-UCC)。
t
T
f0
1 2 R2 2 RC ln(1 ) R1
＝
3
1 2 25 10 0.1 10
－6
2 10 ln(1 ) 10
1 182 Hz 3 5 10 ln 3
一. 方波振荡器(多谐振荡器）
uo
ui
C
＋
R
A
UoH UTH
R1 R2
uo
0 UTL UoL T1 T2
0
ur
uo
UoH
0
UoL
ur
ui
当参考电压为零时，则为同相过零比较器。
[例1]. 若 ui=5sinωt V
ur =2V, UCC =12V。 试画出反相和同相比 较器的输出波形。
ui
UCC
ui (V)
5
2 0
t
(V)
+ ur
uo
-UCC
uo
12 0 -12
t
(V)
uo
UCC
反相比较器
ui
+
uo
-UCC
+
uo
t
UTL
相位相反
1. 反相比较器构成的电路
uo
R4
uo1
＋
ui
A
＋
A
R3 C R
UTH
0
t
R1 R2
ui
uo1
A
＋
uo
O
UTL
ui
UTH
0
UTH 0 UTL
t
t
U TL
相位相同
2. 同相比较器电路构成的电路