第六章 電壓比較器

第六章波形的發(fā)生和信號轉(zhuǎn)換放大電路（負(fù)反饋）：獲得一定幅值的輸出量正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，輸入信號等于反饋信號選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率，單一頻率的振蕩。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（使輸出信號幅值穩(wěn)定，經(jīng)常與放大電路合二為一）振蕩電路的基本組成部分基本放大電路A反饋電路F起振條件平衡條件振幅起振條件相位起振條件振幅平衡條件相位平衡條件6.1正弦波振蕩電路振蕩電路以選頻網(wǎng)絡(luò)分類RC振蕩器：f<1MHzLC振蕩器：f>1MHz石英晶體振蕩器：振蕩頻率非常穩(wěn)定

(根據(jù)最后表現(xiàn)形式可把其歸入LC振蕩器）所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因?yàn)椋篟C正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波用運(yùn)放組成的RC振蕩器采用非線性元件熱敏元件負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅措施正溫度系數(shù)熱敏電阻（1）變壓器反饋式振蕩電路（定性分析）(+)(-)(+)(+)反饋滿足相位平衡條件LC正弦波振蕩電路++––+正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。圖8.1.24例8.1.2電路圖

(+)(+)(+)反饋?zhàn)儔浩鞣答伿秸袷庪姷穆穬?yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：易產(chǎn)生振蕩，波形較好，應(yīng)用范

圍廣。

缺點(diǎn)：由于輸出電壓與反饋電壓靠磁路

耦合，故耦合不緊密，損耗較

大，且振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。三點(diǎn)式振蕩器構(gòu)成原則：1）與發(fā)射極（或運(yùn)放同相端）相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)相同(X1，X2)2）不與發(fā)射極（或運(yùn)放同相端）相連的電抗性質(zhì)與前兩者相反(X3)諧振時(shí)滿足：X1＋X2+X3＝0X1，X2同為電容時(shí)，稱為電容三點(diǎn)式振蕩器。X1，X2同為電感時(shí)，稱為電感三點(diǎn)式振蕩器。（2）三點(diǎn)式LC振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路圖

電感反饋式振蕩電路圖電感反饋式振蕩電路的交流通路電容三點(diǎn)式振蕩電路圖

電容反饋式振蕩電路石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)極板間加交變電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生交變電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大?！獕弘娭C振6.1.4石英晶體正弦波振蕩電路A.串聯(lián)諧振特性晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振圖

石英晶體的等效電路及其頻率特性品質(zhì)因數(shù)為等效阻抗為純阻性通常所以靜態(tài)電容機(jī)械振動(dòng)慣性晶片的彈性晶片的摩擦損耗高達(dá)104~106，穩(wěn)定度10-6~10-8圖

并聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖

串聯(lián)型石英晶體振蕩電路6.2電壓比較器非線性應(yīng)用：是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。電壓比較器：對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。uoui輸出電壓高電平UOH（正的飽和值UOM）閾值電壓(轉(zhuǎn)折電壓)UT輸出電壓低電平UOL（負(fù)的飽和值-UOM）躍變的方向運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用運(yùn)放電路中只有正反饋圖8.2.2電壓比較器電壓傳輸特性舉例單(門)限比較器滯回比較器窗口比較器UREF：參考電壓ui

：被比較信號

++uouiUREF–特點(diǎn)：運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=UOH當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=UOL

一、若ui從同相端輸入單限電壓比較器uoui0UOHUOLUREF傳輸特性++uouiUREFuoui0UOHUOLUREF當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=UOH當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=UOL

二、若ui從反相端輸入uoui0UOHUOL++uoui三、過零比較器:(UREF=0時(shí))++uouiuoui0UOHUOL++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āotUOHUOL++uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn)：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。uo

UZ電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上圖電壓比較器輸入級的保護(hù)電路電壓傳輸特性三要素及其分析方法：

（1）確定輸出高低電平：有無限幅電路（2）確定閾值電壓UT：uP=uN（3）躍變的方向：uI作用于哪個(gè)輸入端反相：由小變大是高，由大變小是低同相：由小變大是低，由大變小是高 單限比較器存在的主要問題：是抗干擾能力差，如圖所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來。如果對受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會(huì)多出許多，從而造成極大的誤差。反相滯回比較器分析1.因有正反饋，輸出飽和。2.當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)：U+3.當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui特點(diǎn)：電路中使用正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。1.沒加參考電壓的下行滯回比較器滯回比較器分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差。當(dāng)ui

增加到UH時(shí)，輸出由Uom跳變到-Uom；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui

減小到UL時(shí)，輸出由-Uom跳變到Uom

。傳輸特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。tuiUom-UomtuiUHUL例：反相滯回比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui加上參考電壓后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL2.加上參考電壓后的反相滯回比較器反相滯回比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL例：R1=10k

，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui

為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0首先計(jì)算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR例：R1=10k

，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui

為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002VuP=0時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。－++uoRR2R1ui當(dāng)uP>uN=0時(shí)，uo=+UOM當(dāng)uP<uN=0時(shí)，uo=-UOM1.沒加參考電壓的同相滯回比較器同相滯回比較器uoui0Uom-Uom傳輸特性曲線UHUL－++uoRR2R1ui上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓：當(dāng)uo=+UOM時(shí)：當(dāng)uo=-UOM時(shí)：2.加上參考電壓后的上行滯回比較器UHULuoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL對照傳輸特性：反相和同相滯回比較器傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL例：已知輸入輸出電壓波形，求電壓傳輸特性輸出高低電平

9V；閾值3V；小于為正，反入

UZ－++uoRR2R1uiuo

UZ－++RR2R1ui滯回比較器電路改進(jìn)：為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管。圖滯回比較器輸出波形抗干擾能力強(qiáng)如圖所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，若ui上疊加有干擾信號時(shí)，只要該干擾信號的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會(huì)導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯(cuò)誤跳變。應(yīng)該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。6.3非正弦波發(fā)生電路圖幾種常見的非正弦波方波三角波鋸齒波尖頂波階梯波一、電路結(jié)構(gòu)上下門限電壓：反相滯回比較器，輸出經(jīng)積分電路再輸入到此比較器的反相輸入端。RC回路既是延遲環(huán)節(jié)，也是反饋網(wǎng)絡(luò)－++RR1R2C+ucuo–6.3.1矩形波發(fā)生電路：是基礎(chǔ)反相滯回比較器積分電路二、工作原理1.設(shè)uo

=

+UOM，則uP=UH。此時(shí)，輸出給C充電!0tuoUOM-UOMU+Huc0t一旦

uc>UH

,就有

uN>uP,在uc<UH

時(shí)，uN<uP，uo

保持+UOM不變uo

立即由＋UOM

變成－UOM

－++RR1R2C+ucuo–此時(shí)，C

經(jīng)輸出端放電。2.當(dāng)uo

=

-UOM時(shí)，u+=ULuc降到UL時(shí)，uo上翻。UHuctUL當(dāng)uo

重新回到＋UOM

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。－++RR1R2C+ucuo–0UHuctULUOMuo0t-UOMT輸出波形：－++RR1R2C+ucuo–RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。反相滯回比較器：起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。－++RR1R2C+ucuo–方波發(fā)生器各部分的作用：f=1/T占空比=T1/Tuc上升階段表示式:uc下降階段表示式:uc0UHtULT1T2三、周期與頻率的計(jì)算方波發(fā)生器電路的改進(jìn)：－++RR1R2C+ucuo–－++RR1R2C+ucuo

UZ–點(diǎn)b是電位器RW的中點(diǎn)，點(diǎn)a和點(diǎn)c是b的上方和下方的某點(diǎn)。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于

a、b、c

三點(diǎn)時(shí)的uo-uc

相對應(yīng)的波形圖。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路反相積分電路方波發(fā)生器電路一：方波發(fā)生器

矩形波

積分電路

三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。6.3.2三角波發(fā)生電路－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。兩個(gè)延遲環(huán)節(jié)0uo1tUom-Uom電路二：電路一的改型－++－