集成运放组成的电压比较器.doc

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

注××××××：Ui  和Ur 的位置应该互换一下
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 

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