简单电压比较器-迟滞比较器-窗口比较器

概述运放的非线性应用1.电路中的运放处于非线性状态。?了解7.4.3双限比较器（窗口比较器）?
双限比较器的工作原理由图可知：?当uI1截止，输出电压uO为高电平。特性曲线如右图所示：?当uI>UA时：A1的输出端为高电平，A2的输出端为低电平
，则二极管D1导通，D2截止，输出电压uO也是高电平。特性曲线如右图所示：?当UBA2的输出端均为低电平，两个二极管均截止，输出电压uO为低电平。特性曲线如右图所示：RUAA1D1RUB
A2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB双限比较器工作原理低高
止通RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：
UA>UB双限比较器工作原理tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平干扰太大
，滞回功能会失效－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1
uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器迟滞比较器(下行)两种电路传输特性的比较:0U
RRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui0UR
RRRRRom211212=+-+ui当uo=-UOM当uo=+UOMui=ui=
迟滞比较器2.迟滞比较器(上行)（同相滞回比较器）令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前学习的过零同相比较
器U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线－++uoRR2R1ui上下门限电压迟滞比
较器－++uoRR2R1uiUR上下门限电压URURRRuRRRom211i2
12=+++当uo=+UOM当uo=-UOMURRRRRRom211212=+
-+uiURURR2RR21++URR2RR21++加上参考电压后的迟滞比较器(
上行)：－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui对照U+HU+Luoui
0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：输出电压高
电平UOH和低电平UOL的数值；阈值电压的数值UH（U+H、U+L）；当ui变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相
比较器还是反相比较器。为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：注意：电压比较器是一种常见
的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平
，为数字量；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。在如图所
示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V，输入电压为如图所示的三角波，试画出输出电压。
[例1]电压传输特性的趋势.UT的具体值有待下面求得.无正反馈,单阈值解：令uN=uP=0，则求出阈值电压所以画出输出波
形如图所示：1在左图（a）所示电路中，已知R1=50kΩ，R2=100kΩ，稳压管的稳定电压UZ=±9
V，输入电压uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波形。[例2]有正反馈,双阈值解：输出高电平和低电平分别为UZ
=±9V，阈值电压画出电压传输特性如图（c）所示。根据电压传输特性便可画出uo的波形，如图（b）所示。从波形可以看出，uI的变化
在±UT之间时，uo不变，表现出一定的抗干扰能力。两个阈值电压的差值愈大，电路的抗干扰能力愈强，但灵敏度变差；因此应根据具体需要确
定差值的大小。三要素法：设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示，要求所用电阻值
在20~100kΩ之间。※讨论题3解：根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，而且uo=UZ=±6V，UT1=UT2
=3V，电路没有外加基准电压，故电路如图（b）所示。求解阈值电压的表达式：所以，若取R1为25kΩ，则R2应取为50kΩ；若取R
1为50kΩ，则R2应取为100kΩ。故本题有无问题？问题在哪里？请改正之！※实验中的加热装置可用一个100Ω/2W的电阻
RT模拟，将此电阻靠近Rt即可。差动放大电路滞回比较器三极管放大电路如图所示，它是由负温度系数电阻特性的
热敏电阻（NTC元件）Rt为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加
热器“加热”与“停止”.改变滞回比较器的比较电压UR即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定实例1请同学们自
荐或推荐一两名同学做此实验由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后给A2组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电
压UR相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三极管T饱和导通。通过发光二极管LED的发光情况，
可见负载的工作状态为加热。反之，当同相输入信号小于反相输入端电压时，A2输出负饱和电压，三极管T截止，LED熄灭，负载的工作状态为
停止。调节RW4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。电桥的主要功能是把微小的电压变化
或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来，这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏，如果没有电桥的稳定性功能是很难解决这些出现在个别
元器件上的偏差的。加热停止加热调整管取样电路脉宽调制(PWM)电路开关调整管控制滤波频率固定的三角波误差放大
续流iLUIuBT比较放大器比较器uEACIoR1uFLUOuAUREFuFCR2
RLD基准电压三角波发生器uT开关稳压电源的基本工作原理一、串联型开关稳压电路组成框图误差放大器放大的是比
较出来的结果.就是采样和基准的误差，所以比较放大器是放大比较出来的误差。实例21.取样环节：R1、R2分压提取取样电压
uF（反馈电压）2.基准电压环节：提供稳压的基准电压UREF3.放大环节：比较放大器A1，放大差值（UREF－uF）
4.调整环节：调整管T由开关信号uB控制通断，稳定输出电压UO详解T-+5.LC滤波器及续流二极管D：滤波和续流得到
平稳的直流电压。6.脉宽调制比较器C：反相端接uT（三角波发生器的输出），同相端接uA（比较放大器输出），输出开关信号
uB驱动调整管。三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路(PWM)T-+当uB为高电平→T饱和、D截止，uE=UI
,经LC滤波到负载RL同时iL↑时→L和C储存能量当uB为低电平→T截止、D导通，uE＝－UD≈0，D续流→LC泄放
能量给RL供电，输出较平稳的直流电压开关电源的工作原理T-+工作波形—占空比OOOOUOtttO
ttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式(PWM)T-+稳压原理T-
+忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量:Vo的推算过程实例3比较器在D类放大器
的应用PMOSNMOS从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器送入低通滤波器前的信号
:求下图所示电压比较器的阈值，并画出传输特性。课堂练习设UOH=12V，U
OL=-12V，VD为理想二极管。12输入信号的频谱图滤波前输出信号的频谱图滤波后输出信号的频谱图2参考答
案：上下阈值分别为：UO=UOH时，UD导通，UR=（10/30）12+(20/3
0)UTH1=9V
UTH1=(9-4)(2/3)=7.5VUO=UOL时，UD截止，
UTH2=9V为同相滞回比较器，传输
特性如下，UTH1=(302)/(10+30)+(106)/(10+30)=3VUTH2=(302)
/(10+30)+[10(-6)]/(10+30)=0V1参考答案:上下阈值分别为为反相滞回比较器其传输特性如
下：其中：UA>UBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限
上门限单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给定电压
VA、VB之间，而窗口比较器具有这一功能。其电路及传输特性曲线如右下图所示：RUAA1D1RUBA2D2uIu
ORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB注意:连接高低通止下台阶上台阶U
OA2UOA1成都信息工程学院实验中心7.4.1简单电压比较器7.4.2
迟滞比较器7.4集成运放的非线性应用7.4.3窗口比较器概述uiuo+UOM-UOM?
Ao越大，运放的线性范围越小，输入大于?,则输出uo要么为+UOM，要么为-UOM。线性放大区复习uiuo_
+?+Aou-u+++Auoui比如：运放开环应用uoui运放开环、有正反馈时，处于非线性状态ui
>0时：ui<0时：uoui0传输特性2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等
）。-+AuoR1RF1RF2DuiD导通D截止负反馈由于处于线性与非线性状态的运放的分
析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在
线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.ri仍可以认为很
大。3.rO=0。3.电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。tuiuot
UZ-UZ–+AuoR1RFuiDZR+运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件——稳压
二极管。R：限流电阻。一般取100?。DZ双向稳压管例：限幅器–+AuoR1RFuiDZ+当
时，在双向稳压管的作用下，当时，双向稳压管
不通，运放工作在线性状态。另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。反向比例运算电路–+AuoR1RF
uiUZ+uoui0+UZ+UZ传输特性由于稳压管被反向击穿时，将引入一个深度负反馈，此时集成运放工作在线性区
，且其反相输入端“虚地”。tuiuot过零附近运放仍处于线性区–+AuoR1RFuiUZ+电压比较
器的主要作用是进行电平检测。7.4.1简单电压比较器利用电压比较器进行电平检测波形示意图tuI0uO0tuR
参考电压????功能:比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系);用
途：可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作电平检测、波形产生和变换电路等。2．运放的工作状态????比较器电路中的
运放一般在开环或正反馈条件下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结
论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用。1．电压比较器的功能????常用的电压比较器有：零电平比较器(过零比较器)非零电平比
较器(单限比较器)迟滞比较器（滞回比较器）窗口比较器(双限比较器)3．电压比较器的类型简单比较器????（1）阈值电压：
比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平。????（2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。????（3）灵敏度
：输出电压跳变的前后，输入电压之差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高，抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏度取决
于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力
强。????（4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间。4、电压比较器的性能指标5．电压比较器的分析方法若
U-＞U+则UO=-UOM；若U-＜U+则UO=+UOM。只有当U-=U+时，输出状态才
发生跳变；反之，若输出发生跳变，必然发生在U-=U+的时刻。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！Ui=U--U
+uo+UOM-UOM理想情况实际情况电压比较器在输出状态跳变过程中，运放可视为在线性区工作。按理想
情况分析uoU+-U-0+UOM-UOM++uoU+U_uo0+UOM-UOMU--U+注意：称
之为同相比较器称之为反相比较器++uouiURuoui0+Uom-UomURUR为参考电压
(阈值电压：P285定义)当ui>UR时,uo=+Uom当ui非零电平比较器若ui从同相端输入（同相电压比较器）++uouiURuoui0+Uom-UomUR当
uiUR时,uo=-Uom若ui从反相端输入电压比较器（
反相电压比较器）uoui0+UOM-UOM++uoui:当UR=
0时++uouiuoui0+UOM-UOM电压比较器二、零电平比较器++uouituitu
o+Uom-Uom利用电压比较器将正弦波变为方波。电压比较器例题：UR=0uoui0+U
OM-UOM++uiuoui0+UZ-UZuo?UZuoui0+UOM-UOM++uoui
忽略了正向压降UF电压比较器用稳压管稳定输出电压为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管
限幅电路。作用：a）使Uo∠0时的输出更接近0；b）DZ有存储效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。D※7.4.2迟
滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、施密特触发器）单限比较器的优点是电路结构简单，灵敏度
高。但是，主要缺点是抗干扰能力差。如果输入电压因受干扰或噪声的影响，单限比较器的输出端电压将会在高、低两种电平之间频繁地反复跳变，
使电路不能稳定工作。波形示意图如右所示：单限比较器的优缺点：tuI0uO0t门限电平+(UZ+UD)-(UZ
+UD)1.迟滞比较器(下行)特点:电路中使用正反馈和uo相连，而uo有两个值，所以对应的U+就有两个值。故阈值电压就有两个
值。1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：Hom211+UURRR
U+=+=3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-
=－++uoRR2R1uiU+（反相滞回比较器）－++uoRR2R1uiU+uoui
0+Uom-UomU+HU+L设ui?,当ui=uo=-UOM,U+=U+L设初始值:uo=+UOM,U+=U+H设ui?,当ui
=>U+H,uo从+UOM?-UOM迟滞比较器Hom211+UURRRU+=+
=LU+uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压U+L下门限电压U+H-U+L称为回差
om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+迟滞比较器传
输特性tuiU+HU+LtuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+迟滞比较器例:设输
入为正弦波,画出输出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假设开始时UO为UOM想想:假设开始时UO为–UOM?－++uoRR2R1uiUR上下限（用叠加定理）uoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行)：U+=U-时所对应的ui值就是阈值是否阈值？R1=10k?，R2=20k?，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性上下限：=10V=2V迟滞比较器例题：2V10V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR迟滞比较器2V10Vtt滞回比较器可以组成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生电路，也可以实现波形变换。与单限比较器相比，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。波形示意图如右所示：tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平滞回比较器的主要优点