集成运放组成的电压比较器

1. 功能及应用：主要用来判断输入信号电位之间的相对大小，它至少有两个输入端及一个输出端，通常用一个输入端接被比较信号Ui，另一个则接基准电压VR 定门限电压(或称阀值)的UT。输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波，应用于模－数转换，波形产生及变换，及越限警等。 2. 运放的工作状态：开环和正反馈应用：运放在线性运用时，由于开环增益一般在105以上，所以其对应的输入的线性范围很小，Ui数量级，为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈，降低其开环增益。而比较器则希望其输入的线性范围越小越好(即比较灵敏度越高)采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。见图8.2.1，请注意横、纵坐标标度的不同   (1) 从途中可化称 (2) 若Ui发出变化，使Uo从负波饱和值突变到正饱和值，只在经过极窄的线性区     时，才遵循在线性工作时才特有的“虚短”，其它时刻“虚短”不复存在。 (3) 若横坐标采用与纵坐标相同的标尺，则线性部分特性与纵轴合拢。 (4) 若用正反馈使Aod↑，则可缩短状态的转换时间。 3. 分类： (1) 单限比较器 (2) 迟滞比较器(Schmitt) (3) 双限比较器(窗口比较器) 二. 单限比较器 1. Ui与UR分别接运放两输入端的开环串接比较器，见图8.2.2   ΔUi>UR Uo=+Uom ΔUi<UR Uo=-Uom ΔUi=UR Uo发生翻转(或称突变) UT=UR 谶纬门限电压或阀值，若UR=0称为过零比较器 Δ当Ui与UR互换位置，此时Uo以Ui=UR为对称轴与交换量对称。 2. Ui与UR并联在运放同一输入端时的开环并接比较器 见图8.2.3   Δ在同相端可作Therenin等效   当Uoc>0时，即 Uo=+Uom 当Uoc<0时，即 Uo=-Uom 可见 Δ若把运放的同相端与反相端互换，则与图8.2.2(b)类同 三. 迟滞比较器(正反馈比较器) 其特点 抗干扰能力较强。在单限比较器种，如果Ui受到干扰，在阀值附近回出现Ui+ΔUi(干扰信号多出现在阀值电压上，下波动，以致出现条纹误翻转，而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压，输入的干扰信号不能使状态误翻转。 1. 两种迟滞比较器的传输特性 见图8.2.4 动画演示  迟滞比较器在单调区间内只能变化一次； 对于反相：Ui从小变到大时，Uo一直为高电平，只有当Ui到达上门限电压时，Uo翻转为低电平，之后随着Ui不断增大，Uo始终为低；在Ui减小时，必须减到下门限电压时，Uo才会翻转为高电平 对于同相：Ui从小变到大时，Uo一直为低电平，只有当Ui到达上门限电压时，Uo翻转为高电平，之后随着Ui不断增大，Uo始终为高；在Ui减小时，必须减到下门限电压时，Uo才会翻转为低电平   　  Δ同相型：Ui接运放同相端 反相型：Ui接运放反相端 Δ均由二根传输特性(1)，(2)合成，同相型. 当Ui从低值↑≥UTH，Uo从UOL↑UOH；当Ui从高值↓≤UTL时，Uo从UOH↓UOL。    反相型则类同。 Δ UTH，UTL为二个阀值，ΔUT(回差)＝UTH－UTL Δ |UOH|=|UOL|或|UOH|≠|UOL|根据输出是否有箝位电路而定。 2. 二种基型迟滞比较器 (1) 反相型迟滞比较器 见图8.2.5   Ui=U－，Uo被箝位在±UZ，避免运放计入过饱和。 假设Ui在足够低时，Ui<U+，Uo=Uoff=+UZ (始终稳定) 此时 Δ当Ui从低值↑ 若Ui≥U+时，Uo从+UZ↓ -UZ 此时 Δ当Ui从高值↓至Ui≤，Uo从-UZ↑+UZ Δ门限宽度ΔUT=UTH-UTL= Δ当UR=0时， ΔUi无论从足够低或足够高单调增加或单调减少，Uo仅翻转一次，即过了阀值后就维持在一种稳态。因为当过阀值电压后，Uo从低变为高或从高变为低了，正反馈到Ur（Uth）端，使该阀值电压变高或变低了。只要门限宽度ΔUT=UTH-UTL 幅度大于UI  在阀值电压波动的幅度，Uo就不会翻转了，所以比单限比较器抗干扰能力强多了。 (2) 同相迟滞比较器 见图 8.2.6  UTL=U－ 设Ui足够低，使U+  < U－=UR，Uo=UoL=-UZ (初始稳态) 若要使Uo从-UZ上升到+UZ，必须使Ui↑，以致使U+≥U－=UR才行，而此时对应UR的Ui=UTH Δ当Ui从低值↑，使 即 此时Uo从-UZ↑+UZ Δ当Ui从高值↓，使时所对应的Ui=UTL 即 此时Uo从+UZ↓-UZ   同上面反相型类同，Ui单调升或单调降，Uo只改变一次状态，过了阀值后只维持在一种稳态上。 我的理解：首先求出阀值电压；阀值电压是在放大器处在线性区域时求得的，不过在正反馈中，线性区域很窄。在该区域，才可以用到虚断和虚短的概念。 （在正反馈状态下，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似等于0，才能用到虚断和虚短的） Vp=Vn=Ur Vr=R1*Ui/(R1+R2)+ R2*Uo/(R1+R2)      （1） 而门限电压是对于输入电压来说的，当输入电压大于或小于这个Uth时，输出就会有跳变。所以    当Ui= Uth时，这时的输入电压就是门限电压： 而由（1）式可求出，Uth=Ui=Ur(R1+R2)/R1 – R2Uo/R1，(Uo=+-Uz) 四. 双限比较器 (窗口比较器) 其特点是Ui单调升或单调降，Uo均有两次突变，与单限比较器和迟滞比较器有区别，因此它可以判别Ui是否在两个电平之间。它实际上由二个单限开环比较器组成，D1，D2作用为隔断，Uo1，Uo2连接通路，避免Uo1，Uo2极性相反时，互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。   ΔUi<URL(<URH)  ΔUi>URH(>URL)  ΔURL<Ui<URH  Δ采用上面窗口比较器可以区分三极管β是否在需要范围内，比如记为合格范围为 50<β100，其它β<50或β>100均要取出，则可用发光二极管亮表示一种越限极警，不亮记为可通过即β合格。 Δ改接一下上述输入输出回路即方便可得   分析上面的等效三极管电路，e端接15v，b端通过下拉电阻接地，从而b端电压为（15-0.7）v，c端同样接下拉电阻接地，只要c端的Ui电压比b端电压低，就能保证集电结的反偏 要区分β=50，100 找出时应得URL及URH     对应图 8.2.7(b) 传输特性可画出β与Uo的关系 即