第7章 电压比较器
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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。
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
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
R1 R2
uN -
图1：
uP +
uN
R1 R1 R2
ui
R2 R1 R2
uREF
uP
0
图1
uT
ui
R2 R1
uREF
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOH
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOL
uo, R
uo
uo uZ uo uZ
10
电压
比较器
6
注意：
U+ U_
+ +
uo
uo
uo
+UOM
+UOM
0 -UOM
U+-U-
称之为同相比较器
0 -UOM
U--U+
称之为反相比较器
7
一、非零电平比较器
若ui 从同相端输入 （同相电压比较器）
ui
+
UR
+ uo
UR为参考电压
(阈值电压： P285定义)
当ui > UR时 , uo = +Uom 当ui < UR时 , uo = -Uom
按理想情况分析
若U-＞U+ 则UO=-UOM； 若U-＜U+ 则UO=+UOM。
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
理想 情况
uo
+UOM
实际 情况
Ui=U--U+
发生跳变，必然发生在U-=U+
的时刻。
-UOM
虚断（运放输入端电流=0）
电压比较器在输出状态
注意：此时不能用虚短！
跳变过程中，运放可视为在 线性区工作。
根据叠加原理，有 ：
U
R1 R1 R2
uo
R2 R1 R2
uR
uT
当uo正饱和时(uo =UOM) ：
uT 1
R1 R1 R2
U oM
R2 R1 R2
uR
当uo负饱和时(uo =-UOM) ：
uT 2
R1 R1 R2
U oM
R2 R1 R128
uR
迟滞
比较器
3.电压传输特性
ui
R
－
+
单限比较器的优缺点：
uI
单限比较器的优点是电路结
门限电平
构简单，灵敏度高。但是，主要 缺点是抗干扰能力差。如果输入 0
电压因受干扰或噪声的影响，单
t
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
+(UZ+ UD)
t
图如右所示：
-(UZ+ UD)
16
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
t
uO
0
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);
uo
uT
R1
R1 R2
U
oM
R2 R1 R2
uR
+
UR
uRo 1
R2
传输特性
设初始值: uo UoM U uT1
设ui ,当ui uT1 uo从 UoM UoM
+UOM
0
-UOM
uT2
uT1
这时, uo UoM U uT 2
ui 设ui ,当ui uT 2
uo从 U oM U oM 19
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
5．电压比较器的分析方法
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
uT 1
R1 R1 R2
U oM
uT2 0
uT1
uT 2 ui
R1 R1 R2
U oM
特点：输出端从高电平跳变
-Uom
到低电平对应的阈值电压与
从低电平跳变到高电平对应
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
+
+ uo ui
-UOM uo
+UOM
0
ui
-UOM
12
电压
比较器
例题：利用电压比
ui
较器将正弦波变为 方波。
t
ui
ຫໍສະໝຸດ Baidu
+
+ uo
uo
+Uom
问题：若反相端不是接
t
地，而是接参考电压
VREF，输出波形会有什 -Uom 么样的变化？
13
电压
比较器 用稳压管稳定输出电压
uo
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
-UOM
ui
+
uo
+
UZ
uo
+UZ
0
-UZ
ui 忽略了正
向压降UF
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。
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）
一.迟滞比较器(下行)
（反相迟滞比较器 ）
1.电路结构
ui R
UR
R1
特点:电路中使用正反馈 和uo相连，而uo有两个 值，所以对应的U+就有 两个值。故阈值电压就 有两个值。
－
+
+
R2
uo
17
迟滞 比较器
2.阈值估算
ui R
uR
R1
－
+
+
R2
临界跳变时：
uo iP iN 0 U U ui
uREF
图2：
R1
uT
uP
R2 R1 R2
uREF
ui
Ri
uT
uN uP +
uo, R
uo
R2
当ui uT 时，uo, UOH uo uZ
v图o 2
+UoH
当ui uT 时，uo, UOL uo uZ
应用：电平显示器、逐次比较
0
VT vi
A/D等。
-UoL
11
电压 比较器
二、零电平比较器: 当UR =0时 uo
uo
+Uom
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ui > UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
ui
UR
9
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
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
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
R1 R2
uN -
图1：
uP +
uN
R1 R1 R2
ui
R2 R1 R2
uREF
uP
0
图1
uT
ui
R2 R1
uREF
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOH
当uREF 0，ui uT，uN 0时，uo, UOL
uo, R
uo
uo uZ uo uZ
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电压
比较器
6
注意：
U+ U_
+ +
uo
uo
uo
+UOM
+UOM
0 -UOM
U+-U-
称之为同相比较器
0 -UOM
U--U+
称之为反相比较器
7
一、非零电平比较器
若ui 从同相端输入 （同相电压比较器）
ui
+
UR
+ uo
UR为参考电压
(阈值电压： P285定义)
当ui > UR时 , uo = +Uom 当ui < UR时 , uo = -Uom
按理想情况分析
若U-＞U+ 则UO=-UOM； 若U-＜U+ 则UO=+UOM。
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
理想 情况
uo
+UOM
实际 情况
Ui=U--U+
发生跳变，必然发生在U-=U+
的时刻。
-UOM
虚断（运放输入端电流=0）
电压比较器在输出状态
注意：此时不能用虚短！
跳变过程中，运放可视为在 线性区工作。
根据叠加原理，有 ：
U
R1 R1 R2
uo
R2 R1 R2
uR
uT
当uo正饱和时(uo =UOM) ：
uT 1
R1 R1 R2
U oM
R2 R1 R2
uR
当uo负饱和时(uo =-UOM) ：
uT 2
R1 R1 R2
U oM
R2 R1 R128
uR
迟滞
比较器
3.电压传输特性
ui
R
－
+
单限比较器的优缺点：
uI
单限比较器的优点是电路结
门限电平
构简单，灵敏度高。但是，主要 缺点是抗干扰能力差。如果输入 0
电压因受干扰或噪声的影响，单
t
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
+(UZ+ UD)
t
图如右所示：
-(UZ+ UD)
16
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
t
uO
0
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);
uo
uT
R1
R1 R2
U
oM
R2 R1 R2
uR
+
UR
uRo 1
R2
传输特性
设初始值: uo UoM U uT1
设ui ,当ui uT1 uo从 UoM UoM
+UOM
0
-UOM
uT2
uT1
这时, uo UoM U uT 2
ui 设ui ,当ui uT 2
uo从 U oM U oM 19
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
5．电压比较器的分析方法
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
uT 1
R1 R1 R2
U oM
uT2 0
uT1
uT 2 ui
R1 R1 R2
U oM
特点：输出端从高电平跳变
-Uom
到低电平对应的阈值电压与
从低电平跳变到高电平对应
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
+
+ uo ui
-UOM uo
+UOM
0
ui
-UOM
12
电压
比较器
例题：利用电压比
ui
较器将正弦波变为 方波。
t
ui
ຫໍສະໝຸດ Baidu
+
+ uo
uo
+Uom
问题：若反相端不是接
t
地，而是接参考电压
VREF，输出波形会有什 -Uom 么样的变化？
13
电压
比较器 用稳压管稳定输出电压
uo
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
-UOM
ui
+
uo
+
UZ
uo
+UZ
0
-UZ
ui 忽略了正
向压降UF
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。
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）
一.迟滞比较器(下行)
（反相迟滞比较器 ）
1.电路结构
ui R
UR
R1
特点:电路中使用正反馈 和uo相连，而uo有两个 值，所以对应的U+就有 两个值。故阈值电压就 有两个值。
－
+
+
R2
uo
17
迟滞 比较器
2.阈值估算
ui R
uR
R1
－
+
+
R2
临界跳变时：
uo iP iN 0 U U ui
uREF
图2：
R1
uT
uP
R2 R1 R2
uREF
ui
Ri
uT
uN uP +
uo, R
uo
R2
当ui uT 时，uo, UOH uo uZ
v图o 2
+UoH
当ui uT 时，uo, UOL uo uZ
应用：电平显示器、逐次比较
0
VT vi
A/D等。
-UoL
11
电压 比较器
二、零电平比较器: 当UR =0时 uo
uo
+Uom
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ui > UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
ui
UR
9
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