第3章电压比较器弛张振荡器有模拟开关

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1、第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关第三章电压比较器、驰张振荡器第三章电压比较器、驰张振荡器 及模拟开关及模拟开关3.1电压比较电压比较器器3.2弛张弛张振荡器振荡器3.3单片单片集成专用电压比较集成专用电压比较器器3.4模拟模拟开关开关第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关3.1电电 压压 比比 较较 器器电压比较器是另一类重要的模拟集成电路，广泛用于“电压比较”、“电平鉴别”、“波形整形”、“波形产生”、“脉冲调宽”、“判决电路”以及“模/数变换(A/D)”等。运算放大器可以作为电压比较器使用，但一般工作速度较慢，而专用电压比较器集成芯片型号多，可根据具体需要来选择。电压比较器或开环运用

2、，或引入正反馈，总体来说工作在“非线性状态”，因此“虚短路”、“虚地”概念一般不能使用。这点特别提醒注意。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关3.1.1电压比较器的基本特性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，“1”或是“0”。如前所述，比较器都工作在非线性状态,所以“虚短路”概念不能随便应用。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图3.1.1给出了电压比较器的符号及传输特性曲线。其反相输入端加信号ui，同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般是开环工作

3、的，其增益很大。所以，当uiur时，输出为“高”；反之，当uiur时，输出为“低”。而当ui接近ur时，输出电平发生转换，仅仅在此刻，同相端和反相端可看成“虚短路”。其他时刻U+与U可能差得很远(即U+U)。电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量(0或1)，可作为模拟和数字电路的接口电路，也可作为一位模/数转换器。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图3.1.1电压比较器的符号及传输特性曲线(a) 符号；(b) 传输特性曲线第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关1. 高电平高电平(UoH)和低电平和低电平(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Uo

4、H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UoH=3.4 V左右，UoL=0.4 V 左右。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关2. 鉴别灵敏度事实上，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越高。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关3. 转换速度转换速度作为比较器的另一个重要

5、特性就是转换速度，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，输出状态转换时间越短，转换速度越快。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关3.1.2电压比较器的开环应用电压比较器的开环应用简单比较器简单比较器1. 过零比较器过零比较器在图3.1.1(a)中，令参考电平ur=0，则输入信号ui与零比较，ui0，输出为低(UoL)，而ui0，输出为高，其波形如图3.1.2(a)所示。这种电路可作为零电平检测器。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。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图3

6、.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第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关2. 脉宽调制器脉宽调制器若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化。所以，开环比较器还可实现脉宽调制，如图3.1.2(b)所示。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关 【例例3.1.1】电路及输入信号波形ui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uo1和uo2的波形图。解解(1) 判断电路组态。观察电路可知，信号ui经隔直流电路(RC)加到A1同相

7、端，反馈加到反相端，故A1接成同相比例放大器，其增益Auf1=(1+R2/R1)=2。A1输出送到A2同相端，A2开环工作，构成简单比较器，其比较器的参考电压Ur=2 V。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图3.1.3运放电路、波形图及仿真图第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关(2) uo1波形。ui=1V+2sint(V)(如图3.1.3(b)所示)，经隔直流后，u+为正弦波。u+=2sint(V)(如图3.1.3(c)所示)，经A1放大后，uo1=Auf1u+=4sint(V)(如图3.1.3(d)所示)。(3) uo2波形。uo1与ur比较，当uo1ur时,输出为高电平；当uo1u

8、r时，输出为低电平，故输出波形uo2为矩形波，如图3.1.3(e)所示。仿真结果证明了分析的正确性，如图3.1.3(f)所示。(4) 传输特性，如图3.1.4(a)、(b)所示。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图3.1.4 传输特性(a) 第一级同相比例放大器传输特性；(b) 第二级简单比较器传输特性第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关3.1.3迟滞比较器迟滞比较器正反馈比较器正反馈比较器双稳态触发器双稳态触发器1. 简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题如图3.1.1(a)所示的比较器存在两个问题：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

9、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)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。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关图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) 受干扰情况第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关2. 迟滞比较器电路及传输特性迟滞比较器电路及传输特性为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成正反馈比较器，即所谓的“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗

10、干扰能力，而且，由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关1)反向输入的迟滞比较器反向输入的迟滞比较器电路如图3.1.6(a)所示。其中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正为211ofRRRUUF正下面我们来分析该电路的传输特性。第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关CC211oH211oH1f1rURRRURRRUUUU正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

11、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UTH，即第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关oH2111rTHURRRUU(3.1.2)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|)(EE211oL211oHf2r2URRRURRRUUUU正(3.1.4)第三章电压比较器、驰张振荡器及模拟开关可见，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|EE211r2TLURRRUU(3.1.5)综上所述，迟滞比较器的传输特性曲线如图3.1.6(