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
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) 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。 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 |
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