第三章__电压比较器、弛张振荡器及模拟开关

1、3.1 电压比较器,3.1.1电压比较器的基本特性 电压比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，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态。,注意：在运算电路中所使用的“虚地”概念在非线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用。,图3.1.1 电压比较器的符号及传输特性,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 UoH3.4V左右， UoL0.4V左右。,2.鉴别灵敏度 在实际电路中，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(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，故无法实现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

2、越高。,3.转换速度 转换速度是比较器的另一个重要特性，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，输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度越高。,3.1.2 电压比较器的开环应用简单比较器 1.过零比较器 令参考电平ur=0。 若Ui 0，uo =UoL 若Ui0，uo =UoH 这种电路可做为零电平检测器。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。,问题：若参考电平ur0。而是接参考电压UREF，输出波形会有什么样的变化？,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,【例 3.1.1】电路及输入信号波形 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 和 的波形图。,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 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

3、)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，可将比较器设置两个阈值，只要干扰信号不超过这两个阈值，比较器就不会跳变，从而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来的电压比较器称为迟滞比较器，或称施密特触发器。电路是在简单比较器基础上增加了正反馈电路实现的。正反馈也加快了翻转速度。 ,1)反向输入的迟滞比较器 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为,上门限电压,下门限电压,该电路传输特性分析： 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UT

4、H。即,(3.1.3),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),特点：输出端从高电平跳变到低电平对应的阈值电压与从低电平跳变到高电平对应的阈值电压不同！,综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图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。 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。,图3.1.7迟滞比较器输出波形,2)同相输入迟滞比较器 电路如图3.1.8(a)所示，信号与

5、反馈都加到运放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有当同相端电压U+=U-=0时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与ui在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上门限电压和下门限电压分别为,(3.1.7),(3.1.8),其传输特性如图3.1.8(b)所示。 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，且具有记忆功能。,图3.1.8同相输入迟滞比较器及其传输特性 (a)电路；(b)传输特性曲线,【例 3.1.2】电路如图3.1.9(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： A1为反相比例放大器，A2为反相输入迟滞比较器，传输特性如图3.1.10(a)、(b)所示。,波形如图3.1.9(c) 所示。,波形如图3.1.9(d) 所示。,图3.1.10 A1、A2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

6、组成：一部分是状态记忆电路;另一部分是定时电路，即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：,(3.2.2),一旦Uo变为低电平，电容开始放电，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+变为另一个参考电平(下门限电压),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,(3.2.3),(3.2.4

7、),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),(3.2.7),将式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得,改变时常数RC及正反馈系数， 比值均可改变振荡频率。,(3.2.8),3.2.2双运放构成的弛张振荡器 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 双运放方波三角波振荡器,图3.2.4 双运放方波三角波振荡器输出波形,1.uo1和uo2幅度的计算 1)uo1的幅度 由图可见，uo1的高电平UoH=UCC，低电平UoL=-UEE，所以其峰峰值为,(3.2.9),uo2为三角波。当uo1为高电平时，C充电，充电电流 (为电位器RW的分压比)，uo2随时间线性下降。再看A1，其

8、反相端接地，当U+过零时， A1输出状态翻转，而U+等于uo1和uo2的叠加，即,2) uo2的幅度 同理，当uo2为低电平时，C反充电，充电电流 ，uo2随时间线性上升，当U+再次过零时，算出,(3.2.10),2. 频率f0的计算 我们知道，在T1时间间隔内，电容C的电压增量 由式UC=Q/C计算得,(3.2.11),3.3 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(MAX901903),【例3.3.1】由单片集成电压比较器LM311构成的整形电路如图3.3.1(a)。LM311的输出电平转换时间为200ns。若分别输入频率为fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信号，试问输出波形将有何变化。 ,图3.3.1电压比较器和输出波形 (a)电路；(b)对应不同信号频率的输出波形,解(1)对于fi1 =1kHz的输入信号，比较器的输出为方波。 (2)对于fi2 =1MHz的输入信号，比较器的转换时间将对波形有较大影响，其输出方波的边

9、缘已经很差(如图3.3.1(b)所示)。 (3)对于fi3=5MHz的信号，其周期为200ns，半个周期时间为100ns，已经少于比较器的转换时间(200ns)，所以比较器的状态根本来不及翻转，故输出波形为一不变的直线(如图3.3.1(b)所示) 。 所以，我们在使用器件时，一定要注意器件的特性是否满足我们的实际需要。,3.4 模拟开关,模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号的通断。一个理想的模拟开关，应接通时相当于短路，关断时相当于开路，工作速度要快，各开关间的隔离度要好。模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用MOS场效应管构成。CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。,图3.4.1 CC4046四双向模拟开关,1.CC4066模拟开关,3.4.1 常用模拟开关,2.CD4051模拟开关,图3.4.2 CD4051结构框图,图3.4.3 CD4051引脚图及功能表 (a) 引脚图 (b) 功能表,图3.4.4 MAX4661的引脚图及主要参数,3. MAX4661模拟开关,3.4.2 模拟开关的应用 1. 增益控制 图3.4.5所示为一反相比例放大器，若要求输入电阻一定，而增益可控，则可以在反馈支路中置入模拟开关。随着控制电压UCi的不同，反馈电阻也不同，以此 达到控制增益的目的。,图3.4.5 增益控制电路,2. 脉冲调制 如图3.4.6所示， 一正弦波加入到模拟 开关输入端，控制端是一宽度为，周期为T的脉冲波，则输出波形为已调脉冲波。,图3.4.6 脉冲调制电路及波形,3. 时分多路数据采集 诸如CD4051一类的模拟开关，有三个控制端(分别为A、B、C)、八个输入端和一个输出端。当赋予A、B、C不同的逻辑值(0或1)时，则输出端依次接通其中的一路输入信号(相当于单刀多掷开关)，从而实现时分多路巡回数据采集的目的，如图3.4.7所示。,图3.4.7 CD4051模拟开关用于多路信号数据采集,

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