电压比较器 -

电压比较器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。电压比较器电压比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成运放组成，这里只讨论后者。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。比较器在信号变换、检测和波形产生电路中有广泛应用。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。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)。UCC-UCC-+Au-u+电压比较器的电路符号理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT处具有阶跃的传输特性。实际运放的Aud不为无穷大。在UT附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH，也非UoL，故无法对输入电平大小进行判别。2.鉴别灵敏度udA这就要求运放：显然，Aud越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。uoUoHUoLt1t2t转换时间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。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。+-u-u+uoA非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU此时，两输入端“虚短路”的概念不再适用。i-i+1电压比较器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。电压比较器有专用的集成芯片可供使用，也可用集成运放组成，这里只讨论后者。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。电压比较器的基本特性1.输出高电平(UoH)和低电平(UoL)3.转换速度2.鉴别灵敏度+-u-u+uoA非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU此时，两输入端“虚短路”的概念不再适用。i-i+uo-+uruiA一.反相电压比较器电路如图所示，输入信号ui加在反相端，参考电压ur加在同相端。0uiuo1.1简单电压比较器uiur，uo=UOH当uiur，uo=UOL其传输特性uo=f(ui)当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。ur0UoHUoL2.同相电压比较器uo-+uruiA0uiuouiur，uo=UOL当uiur，uo=UOH其传输特性uo=f(ui)当参考电压为零时，则为同相过零比较器。UoHUoL电路如图所示，输入信号ui加在同相端，参考电压ur加在反相端。ur05uit0(V)uoUCC-+urui-UCCuoUCC-+urui-UCC2[例1].若ui=5sinωtVur=2V,UCC=12V。试画出反相和同相比较器的输出波形。uo(V)12-12t0反相比较器uo(V)12-12t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。反相比较器反相过零比较器uo-+uruiA一.反相电压比较器简单电压比较器0uiuo其传输特性uo=f(ui)urUoHUoLuo-+uruiA0uiuoUoHUoLur02.同相电压比较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。2.迟滞比较器––双稳态触发器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图所示。R1和R2将输出电压uo反馈到运放的同相端，构成正反馈。为简单计，R1端所接的参考电平为地电位。下面来分析该电路的传输特性AuoR'uiR2R1-+Uf+-112foHRUUURR当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为当ui很负使u－u+时，uo为高电平UoH此时，同相端电位u+为当ui由负逐渐增大到ui=U+′时，输出将由高电平跳变为低电平。对于反相电路uo从高跳到低所对应的ui电压称为上门限电压，记为UTH。可见，UTH=U+′112foLRUUURR由于，因而ui以后，uo将维持在低电平。UUUAuoR'uiR2R1-+Uf+-uouiUoH0UoL112oLRUUURR反之，ui由大逐渐变小时，由于同相端电位变为因而ui必须小到时，输出才由低电平跳变为高电平。此时的输入电压称为下门限电压，记为UTL。UTL=UU对应的传输特性曲线如图所示。AuoR'uiR2R1-+Uf+-UTHUTL112THoHRUURR电压的传输特性112TLoLRUURRuouiUoHUoL0UTHUTL∆U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。111212()2THTLoHoLCCRRUUUUUURRRR迟滞比较器的上、下门限电压之差称之为回差，用ΔU表示，即回差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。0tuo(V)12-125uit(V)02-2[例4].若ui=5sinωtV，R1=10k，R2=50k，UCC=12V。试画出反相迟滞比较器的输出波形。101221050THUV10(12)21050TLUV解AuoR'uiR2R1-+Uf+-UCC-UCCAuoR'uiR2R1-+二.同相迟滞比较器电路如图所示，当ui很负使u+u－=0时，uo为低电平UoL。此时，同相端电位u+为211212ioLRRUuURRRR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。输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为UTH=012THoLRUUR由上式解得uouiUoHUoL0UTHUTL211212ioHRRUuURRRR反之，ui由正减小到使时，输出将由高电平跳变为低电平。此时的ui即为下门限电压UTL。0U对应的传输特性如图所示。AuoR'uiR2R1-+UTL=012TLoHRUUR由上式解得12THoLRUUR二.迟滞比较器––双稳态触发器uouiUoHUoL0UTHUTLuouiUoH0UTHUoLUTLAuoR'uiR2R1-+Uf+-AuoR'uiR2R1-+112TLoLRUURR112THoHRUURR12TLoHRUUR12THoLRUUR3.集成运算放大器选择指南前面已经介绍了集成运算放大器在线性和非线性方面的应用。为便于说明电路的工作原理和电路性能指标的计算，分析中我们都假设运放具有理想的特性。但实际运放的性能是不理想的，必然使分析计算的结果产生误差，甚至造成无法实现我们预计的功能。因此，实际中必须根据信号特征和电路需要精心选择不同性能的集成运放。集成运放的选择应根据电路所需的精度和速度（带宽）决定。同时要考虑运放的价格，力求电路有尽可能高的性价比。一般集成运算放大器的选择原则：(1).如果没有特殊要求，选用通用型运算放大器(如LM741、LM324等)。(2).如系统要求精密，温漂小，噪声干扰低，则选择高精度、低漂移、低噪声的集成运放。(3).如系统要求运放输入阻抗高，输入偏流小，则选择高输入阻抗运算放大器。(4).若系统对功耗有严格要求，则选择低功耗运放。(5).若系统工作频率高，则选择宽带、高速集成运放或比较器。1.散热风扇自动控制电路一些大功率器件或模块在工作时会产生较多热量使温度升高，一般采用散热片并用风扇来冷却以保证正常工作。负温度系数热敏电阻RT粘贴在散热片上检测功率器件的温度(散热片上温度比器件温度略低)，当5V电压加在RT及R1电阻上时，在A点有一个电压VA。当散热片上的温度上升时，则热敏电阻RT的阻值下降，使VA上升。电压比较器实际应用举例RT的电阻与温度变化是单值函数。如果设定在80℃时应接通散热风扇，这80℃即设定的阈值温度TTH，在特性曲线上可找到在80℃时对应的RT的阻值。R1的阻值是不变的，则可以计算出在80℃时的VA值R2与RP组成分压器，当5V电源电压是稳定电压时，调节RP可以改变VB的电压。VB值为比较器设定的阈值电压，称为VTH。设计时希望散热片上的温度一旦超过80℃时接通散热风扇实现散热，则VTH的值应等于80℃时的K值。一旦VAVTH，则比较器输出低电平，继电器K吸合，散热风扇得电工作，使大功率器件降温。VA、VTH电压变化及比较器输出电压Vout的特性如下图。这里要说清楚的是VA开始大于VTH时，风扇工作，但散热体有较大的热量，要经过一定时间才能把温度降到80℃以下。从温控电路可看出，要改变阈值温度TTH十分方便，只要相应地改变VTH值即可。VTH值增大，TTH增大；反之亦然，调整十分方便。只要RT确定，RT的温度特性确定，则R1、R2、RP可方便求出。单片集成专用电压比较器1.通用低速型(LM311/211/111)2.通用型/中速型(LM119)3.高精度/低失调/低功耗(LM339/239/139)4.高速/低功耗(MAX901~903)作业：uo-+uruiR1R2A-UCCUCC若ui=6sinωtv，ur=5v，R1=20k，R2=50k，UCC=12V。试画出传输特性，并画出输出电压波形。