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1、第三章 电压比较器、驰张振荡器 及模拟开关,3.1 电压比较器 3.2 弛张振荡器 3.3 单片集成专用电压比较器 3.4 模拟开关,3.1 电 压 比 较 器 电压比较器是另一类重要的模拟集成电路，广泛用于“电压比较”、“电平鉴别”、“波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电路”以及“模/数变换(A/D)”等。运算放大器可以作为电压比较器使用，但一般工作速度较慢，而专用电压比较器集成芯片型号多，可根据具体需要来选择。 电压比较器或开环运用，或引入正反馈，总体来说工作在“非线性状态”，因此“虚短路”、“虚地”概念一般不能使用。这点特别提醒注意。,3.1.1 电压比较器的基本特性 电压比
2、较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，“1”或是“0”。如前所述，比较器都工作在非线性状态,所以“虚短路”概念不能随便应用。,图3.1.1给出了电压比较器的符号及传输特性曲线。其反相输入端加信号ui，同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般是开环工作的，其增益很大。所以，当uiur时，输出为“高”；反之，当uiur时，输出为“低”。而当ui接近ur时，输出电平发生转换，仅仅在此刻，同相端和反相端可看成“虚短路”。其他时刻U+与U可能差得很远(即U+U)。电压比较器的输入为模拟量，输
3、出为数字量(0或1)，可作为模拟和数字电路的接口电路，也可作为一位模/数转换器。,图3.1.1 电压比较器的符号及传输特性曲线 (a) 符号；(b) 传输特性曲线,1. 高电平(UoH)和低电平(UoL) 电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(UEE)。 专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即UoH= 3.4 V左右，UoL=0.4 V 左右。,2. 鉴别灵敏度 事实上，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图3.1.1(
4、b)中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法对输入电平大小进行判别。Aud越大，则这个不灵敏区就越小，工程上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，即比较器的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。比较器的转换速度与器件压摆率SR有关，SR越大，输出状态转换时间越短，转换速度越快。,3.1.2 电压比较器的开环应用简单比较器 1. 过零比较器 在图3.1.1(a)中，令参考电平ur=0，则输入信号ui与零比 较，ui0，输出为低(UoL)，而ui0，输出为高，其波形如图3.1.2
5、(a)所示。这种电路可作为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。,图3.1.2 过零比较器及脉宽调制器输出波形 (a) 过零比较器整形波形；(b) 脉宽调制器输出波形,2. 脉宽调制器 若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化。所以，开环比较器还可实现脉宽调制，如图3.1.2(b)所示。,【例3.1.1】 电路及输入信号波形ui分别如图3.1.3(a)、(b)所示，其中C为交流耦合电容,试分别画出uo1和uo2的波形图。 解 (1) 判断电路组态。 观察电路可知，信号u
6、i经隔直流电路(RC)加到A1同相端，反馈加到反相端，故A1接成同相比例放大器，其增益Auf1=(1+R2/R1)=2。 A1输出送到A2同相端，A2开环工作，构成简单比较器，其比较器的参考电压Ur=2 V。,图3.1.3 运放电路、波形图及仿真图,(2) uo1波形。 ui=1V+2sint(V)(如图3.1.3(b)所示)，经隔直流后，u+为正弦波。u+=2sint(V)(如图3.1.3(c)所示)，经A1放大后，uo1=Auf1u+=4sint(V)(如图3.1.3(d)所示)。 (3) uo2波形。 uo1与ur比较，当uo1ur时,输出为高电平；当uo1ur时，输出为低电平，故输出波
7、形uo2为矩形波，如图3.1.3(e)所示。仿真结果证明了分析的正确性，如图3.1.3(f)所示。 (4) 传输特性，如图3.1.4(a)、(b)所示。,图3.1.4 传输特性 (a) 第一级同相比例放大器传输特性； (b) 第二级简单比较器传输特性,3.1.3 迟滞比较器正反馈比较器双稳态触发器 1. 简单比较器应用中存在的问题 如图3.1.1(a)所示的比较器存在两个问题：一是输出电压转换时间受比较器翻转速度(压摆率SR)的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭(如图3.1.5(a)所示)；二是抗干扰能力差，如图3.1.5(b)所示，若ui在参考电压ur(=0)附近有噪声或干扰，则输出波形将产生
8、错误的跳变，直至ui远离ur值才稳定下来。如果对受干扰的uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。,图3.1.5 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况 (a) 输出波形边缘不陡峭；(b) 受干扰情况,2. 迟滞比较器电路及传输特性 为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成正反馈比较器，即所谓的“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，而且，由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。,1)反向输入的迟滞比较器 反向输入的迟滞比较器电路如图3.1.6(a)所示。其中R2将uo反馈到运放的同相端与R1一起构成正反馈，其正反馈系数F正为,下面我们来分析该电
9、路的传输特性。,因为信号加在运放反相端，所以ui为负时，uo必为正，且等于高电平UoH=UCC。此时，同相端电压(U+)为参考电平Ur1:,(3.1.2),当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出将由高电平转换为低电平。我们称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电压，记为UTH，即,(3.1.2),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,(3.1.4),可见，当ui由正变负的比较电平将是Ur2(负值)，故只有当ui变得比Ur2更负时，uo才又从低变高。所以，称Ur2为下门限电压，记为UTL，即,(3.1.5),综上所述，迟滞比较器的传
10、输特性曲线如图3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，因此称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上、下门限之差称之为回差，用U表示：,(3.1.6),正是由于回差的存在，才提高了比较器的抗干扰能力。 如图3.1.7所示,由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平上，当ui上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差U，则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。,图3.1.7 迟滞比较器输出波形,应该指出，回差U的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。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。 2) 同相输入的迟滞比较器 电路如图3.1.8(a)所示
11、，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地(U=0)。当ui为负极性时，uo也为负，且Uo=UoL。只有当ui极性变正，且当同相端电压U+=U=0时，输出状态才可能由负(UoL)向正(UoH)跳变，据此我们可以确定UoLUoH跳变的上门限电压UTH为,即,故,(3.1.3),图3.1.8 同相输入迟滞比较器及其传输特性曲线(a)电路；(b) 传输特性曲线,同理，当ui由正向负变化时，可确定Uo由高电平(UoH=UCC)向低电平(UoL=UEE)跳变的下门限电压UTL为,(3.1.8),其传输特性曲线如图3.1.8(b)所示，读者可自行分析。 迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态
12、，且具有记忆功能。 【例3.1.2】 电路如图3.19(a)所示，输入电压ui的波形如图3.1.9(b)所示，试画出uo1、uo2的波形图。,图3.1.9 电路图与波形图,解 (1)判断电路组态。 观察电路可知，A1组成反相比例放大器，A2组成反相输入迟滞比较器，其传输特性分别如图3.1.10(a)、(b)所示。 (2) uo1波形。 A1组成反相比例放大器，闭环增益Auf1=R2/R1=5,故uo1波形如图3.1.9(c)所示。 uo1=5ui=51.6sint=8sint(V),(3) uo2波形。 根据反相输入迟滞比较器的传输特性， UTL=6V，回差U=12V, 故得uo2波形如图3.
13、1.9(d)所示。,图3.1.10 传输特性 (a) 第一级反相比例放大器传输特性； (b) 第二级迟滞比较器传输特性,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。 弛张振荡器必须是一个正反馈电路。它由两部分组成：一部分是状态记忆电路;另一部分是定时电路，定时电路是用来控制状态转换时间的电路。如图3.2.1所示，一般用迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。,图3.2.1 弛张振荡器框图,3.2.1 单运放弛张振荡器 单运放将状态记忆电路和定时电路集中
14、在一起，如图3.2.2(a)所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器，RC构成积分器即定时电路。其波形如图3.2.2(b)所示。,图3.2.2 单运放弛张振荡器电路及波形,假定输出为高电平(UoH)，且电容初始电压uC(0)=0，那么电容被充电，uC(t)以指数规律上升，并趋向UoH。此时，运放同相端电压U+为,(3.2.1),该电压为比较器的参考电平。当uC上升到该电平值时，即U=U+，则输出状态要发生翻转，即由高电平跳变到低电平UoL。我们将此时的U+记为高门限电压UTH,即,(3.2.1),一旦Uo变为低电平，电容就开始放电，后又反充电，uC以指数规律下降，并趋向UoL。但是，因为此时的U
15、+变为另一个参考电平(下门限电压),(3.2.3),所以，当uC下降到UTL时，输出又从低电平跳变到高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为 Uopp=UoHUoL=2UCC (3.2.4) 电容电压uC(t)为近似的三角波，其峰峰值为,(3.2.5),因为电容充电和放电时常数均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。 现在来计算振荡频率f0。首先计算时间T1。如图3.2.2(b)所示，根据三要素法，电容电压uC(t)为,(3.2.6),式中,(3.2.7),将式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得,振荡器,可见，改变时常数RC及正反馈系数(即R2/R1比值)均可改变振荡频
16、率f0。,【例3.2.1】图3.2.2(a)电路中，若C=0.1F，R=50k，R1=R2=10 k,UCC=|UEE|=12V，试求uo(t)及uC(t)的波形幅度及频率。 解 (1) uo(t)为方波，其幅度Uom=UoH=|UoL|UCC=12V。 (2) uC(t)为近似三角波，UC(t)幅度为,(3) 振荡频率f0为,3.2.2 双运放构成的弛张振荡器 我们知道，图3.2.2的RC电路不是理想的积分器，它不能保证电容恒流充放电，所以三角波线性不好。如果将RC电路改为理想积分器，保证电容恒流充放电，则可以产生线性很好的三角波。,如图3.2.3所示，运放A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器。A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成三角波，反过来三角波又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡，其波形如图3.2.4所示。,图3.2.3 双运
