模拟电子电路及技术基础-第二版-答案-孙肖子-第3章

第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3.1基本要求及重点、难点3.2习题类型分析及例题精解3.3习题解答第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关1.基本要求(1)了解电压比较器的基本特性；理解电压比较器和运算放大器的不同之处(包括功能、电路和要求的不同)；掌握电压比较器的开环应用，亦即简单比较器(包括过零比较器和脉宽调制器)的特点、用途和传输特性，能根据输入信号绘制其输出波形。(2)掌握正反馈比较器(迟滞比较器)的特点、传输特性及其输入输出波形。(3)掌握单运放和双运放弛张振荡器电路的特点，能定性画出输出波形，计算输出方波、三角波幅度和振荡频率。3.1基本要求及重点、难点第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(4)了解各种单片集成电压比较器的特点、主要参数和应用。(5)了解模拟开关的功能和用途。2.重点、难点重点：简单比较器、迟滞比较器和弛张振荡器电路的分析和计算。难点：简单比较器、迟滞比较器和弛张振荡器传输特性及输出波形的分析。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关本章习题类型主要包括分析计算题和综合设计题。(1)分析计算类题目一般给定电路，要求：·分析电路功能；·绘制传输特性；·绘制输出波形等。因为大部分电路为非线性电路，其暂态分析、时域分析方法比线性电路分析会困难些。3.2习题类型分析及例题精解第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(2)综合设计类题目一般提出设计目标，如功能目标、输出波形目标、传输特性目标等，要求设计电路结构，确定电路元件值等。一般设计方案不是唯一的，要选择其中比较容易实现而性能又可以达到设计目标性能的电路。解题中应注意以下几点：①简单比较器一定是开环运用，其比较电平与输出无关。②迟滞比较器引入了“正反馈”，其比较电平与输出有关，且Ur=FUo，其中F为正反馈系数；传输特性为闭合曲线，存在“回差”，故抗干扰能力增强，翻转时边缘更加陡峭，但比较灵敏度降低了。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关③无论输入信号的形状如何，比较器的输出肯定是方波，其高低电平与电源电压有关。专用集成电压比较器的高低电平大多与数字电路兼容。专用集成电压比较器可开环运用，也可引入正反馈而演变为迟滞比较器。④在迟滞比较器基础上加入RC充放电电路，并用RC电路的电容电压来控制比较器的自动翻转，便构成弛张振荡器，从而得到方波与三角波波形。⑤弛张振荡器的振荡频率一般取决于RC定时电路的时间常数及迟滞比较器的比较电平。⑥弛张振荡器的方波幅度取决于电源电压或输出限幅电路。三角波的幅度取决于迟滞比较器的比较电平。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关【例3-1】设计一个电路，将一个不规则的波形整形成方波后，再变换成尖脉冲，如图3-1所示。解根据题意：(1)用过零比较器，将不规则的波形整形成方波。(2)用微分电路(RC)将方波变换成双向尖脉冲，只要时常数RC远小于ui过零的时间间隔。(3)用晶体二极管单向导电特性将正脉冲阻隔，使负脉冲通过，如图3-2所示。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-1第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-2第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关【例3-2】试利用专用集成电压比较器LM311，将一个受干扰的低频三角波(如图3-3所示)整形成方波，建议比较器电源电压采用±5V。解因为输入信号为受干扰的低频信号，故应采用抗干扰能力强的迟滞比较器，引入正反馈，使传输特性存在一个“回差”，如图3-4所示。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-3(a)电路图；(b)输入信号第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关取上拉电阻Rc=2kΩ，R1=R2=10kΩ，取回差ΔUT=2V，则正反馈系数，故R2=40kΩ。其传输特性及输出波形分别如图3-4和图3-5所示。51232o2RRRUUFR第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-4传输特性第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-5输出波形第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关【例3-3】设计一个弛张振荡器，振荡频率f0=100Hz，方波输出振幅Uo≤12V，三角波线性很好，且振幅为6V。解(1)电路选择。因为要求三角波线性很好，所以选用双运放构成弛张振荡器，电路如图3-6所示。因为要求方波振幅Uo≤12V，所以选电源电压UCC=|UEE|=12V。因为要求振荡频率f0=100Hz，频率较低，故运放型号选F007(LM741)。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-6设计的电路图第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(2)阻容元件值的确定。①R2、R1的选择。根据设计目标，画出uo1、uo2的波形，如图3-7所示。结合电路图，uo1波形发生跳变时的uo2应满足下式：当uo1=12V时，可见，选R1=10kΩ，则R2=20kΩ。0o2212211o1uRRRRRRuV61221o121o2RRuRRu2121RR第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图3-7方波、三角波波形第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关②积分时常数R、C的选择。因为故选R=100kΩ，则2012120105.0100214Hz1004fRRRCRCRRfμF05.0105.010105.0752C第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-1电路如图P3-1所示，设输入信号为ui=2sin250t(V)。(1)判断各电路功能;(2)画出各自的输出波形。3.3习题解答第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-1第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)判断各电路功能。电路(a)引入了负反馈，是一个反相比例放大器，其增益电路(b)也引入了负反馈，是一个同相比例放大器，其增益电路(c)引入了负反馈，是一个一阶移相器，其增益3112ioRRUUAufCRCRCRUUAiouf333arctan21j1j1)j()j()j(212ioRRUUAuf第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关输入信号角频率ω=250，而故所以对输入信号的移相为－90°。电路(d)是一个开环运用的过零比较器，输出电压为方波，振幅近似为。1104250104101104333633CRCR6V21CCU第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(2)各电路的输出波形如图P3-1′所示。输入信号振幅为2V，频率。Hz402502f第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-1′第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-2电路如图P3-2所示，分别画出(a)、(b)、(c)各电路的电压传输特性及输出波形，设ui=15sinωt(V)。图P3-2第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)传输特性。电路(a)是简单比较器，其传输特性如图P3-2′(a)所示，比较电平为Ur=－5V。电路(b)是反相输入迟滞比较器，其传输特性如图P3-2′(b)所示。其中UoH=+12V，UoL=－12V；上门限电压，下门限电压V6oHTHURRRUV6oLTLURRRU第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关电路(c)是同相输入迟滞比较器，其传输特性如图P3-2′(c)所示。其中当时，输出状态翻转。由此得到上、下门限电压分别为UTH=－Uo=－(－12V)=12VUTL=－Uo=－(12V)=－12V0oiURRRURRR第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-2′第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(2)输出波形图。输出波形如图P3-2″(a)、(b)、(c)所示。图P3-2″第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-3电路如图P3-3(a)所示，输入信号如图P3-3(b)所示。(1)判断A1、A2各组成何种功能的电路；(2)画出A1所组成电路的电压传输特性；(3)画出uo的输出波形。图P3-3第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)A1组成迟滞比较器，A2组成电压跟随器(Au2f=1)。(2)A1的传输特性。画出A1的电路，如图P3-3′(a)所示，故A1电路的电压传输特性如图P3-3′(b)所示。图P3-3′(b)中，UoH=6V，UoL=－6VV5.132436V5.432436o2221o3oLTLo2221o2oH_THURRRUUUUURRRUUUU第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-3′第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(3)uo波形。根据传输特性，画出uo波形如图P3-3″所示。图P3-3″第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-4电路如图P3-4所示。(1)判断A1、A2所组成电路的功能；(2)求uo1的表达式；(3)画出uo－ui电压传输特性。图P3-4第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)A1是反相相加器；A2是迟滞比较器，其正反馈系数。(2)uo1的表达式为31FV5.2102010010100irir32i12o1uUuURRuRRu第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关(3)画uo－ui的传输特性分为以下三步。①画出uo1－ui的传输特性。根据uo1－ui的关系式，画出uo1－ui传输特性如图P3-4′(a)所示。②画出uo1－uo的传输特性。观察电路图，uo的高电UoH=12V，此时上门限电压，而uo的低电平UoL=－12V，那么下门限电压。画出迟滞比较器的电压传输特性如图P3-4′(b)所示。4V122kΩ1kΩ1kΩoH677THURRRU4VoL677TLURRRU第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关③画出uo－ui的传输特性，关键是找出对应UTH和UTL的Ui值。因为uo1与ui是反相的，所以对应UTH必是UiL，而对应UTL必是UiH。根据uo1=－10ui+2.5V得Uo1=UTH=4V，求出对应的Uo1=UTL=－4V,求出对应的画出uo－ui的传输特性，如图P3-4′(c)所示。V15.01045.2iLUV65.01045.2iHU第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-4′第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-5电路如图P3-5所示。(1)判断A1、A2各组成什么功能的电路；(2)若输入信号为1V的阶跃电压，试画出uo1和uo2的波形图，确定uo2产生跳变的时间t1(设t=0时，uC(0)=0,uo(0)=－12V)。第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-5第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)A1接成反相积分器；A2接成迟滞比较器，正反馈系数(2)①因为ui为+1V，故uo1为线性下降波形，且②因为uo(0)=－12V，UM=－FU0=－4V，当uo1≤－4V时，uo将从低电平跳变到高电平，跳变时刻的t=t1，所以uo1=－t1=－4V则t1=4s。画出uo1、uo的波形如图P3-5′所示。31211RRRF)V(101010V1d165io1tttuRCu第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关图P3-5′第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关3-6电路如图P3-6所示，输入信号ui=2sinωt(V)，试画出uo的波形图。图P3-6第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关解(1)该电路中A2组成反相比例放大器，其增益A2将信号反相，反馈又加到A1的反相端，所以实际上是引入了正反馈，也就是A1组成的电路实际上是一个迟滞比较器。例如，ui↑→U+↑→uo↑→uo2↓→U－↓所以(U+－U－)就越来越大，是一个正反馈过程。oo22f31,313uuRRAu第三章电压比较器、弛张振荡器及模拟开关正反馈系数，即。这就是比较电平，也就是门限电压。当Uo=UoH=12V时，UM=UTH==1V;当Uo=UoL=－12V时，UM=UTL==－1V。故该电路的传输特性及输出波