西电模电-第3章电压比较器.ppt

一一.一阶一阶RC有源滤波器有源滤波器 二二.二阶二阶RC有源滤波器有源滤波器 2.正馈型有限增益放大器的有源二阶低通滤波电路正馈型有限增益放大器的有源二阶低通滤波电路 3.无限增益放大器的多环负馈型二阶带通滤波电路无限增益放大器的多环负馈型二阶带通滤波电路 4.二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器.全通和带通相加器组成的带阻滤波器全通和带通相加器组成的带阻滤波器 三三.一阶全通（移相）滤波器一阶全通（移相）滤波器 四四.基于双积分环的二阶有源滤波器（状态变量滤波器）基于双积分环的二阶有源滤波器（状态变量滤波器）RC有源滤波器小结有源滤波器小结.双双T网络组成的带阻滤波器网络组成的带阻滤波器 1.二阶二阶RC滤波器的组成结构滤波器的组成结构一一.由由LC谐振回路构成的带通和带阻滤波器谐振回路构成的带通和带阻滤波器2.4.6 模拟电感实现的滤波电路模拟电感实现的滤波电路其中其中 可见，第一个电路具有带通特性。可见，第一个电路具有带通特性。其中其中 可见，该电路具有带阻特性。可见，该电路具有带阻特性。取取摸拟无耗等效电感摸拟无耗等效电感二二.模拟电感。模拟电感。1.无耗接地电感无耗接地电感由模拟电感构成的带通滤波器由模拟电感构成的带通滤波器 其中其中可见，该电路等效一有耗电感。可见，该电路等效一有耗电感。1.有耗接地电感。有耗接地电感。由模拟电感构成的带阻滤波器由模拟电感构成的带阻滤波器 选择选择即可实现由模拟电感构成的二阶带阻滤波器即可实现由模拟电感构成的二阶带阻滤波器 在在 处处第第3章章 电压比较器电压比较器、驰张振荡器驰张振荡器 及模拟开关及模拟开关3.1 电压比较器电压比较器3.2 驰张振荡器驰张振荡器3.3 模拟开关模拟开关 电电压压比比较较器器的的功功能能是是对对两两个个输输入入电电压压的的大大小小进进行行比比较较，并根据比较结果输出高、低两个电平。并根据比较结果输出高、低两个电平。3.1 电压比较器电压比较器 电电压压比比较较器器有有专专用用的的集集成成芯芯片片可可供供使使用用，也也可可用用集集成成运放组成，这里只讨论后者。运放组成，这里只讨论后者。由由于于比比较较器器输输出出只只有有两两个个状状态态，因因此此，用用作作比比较较器器的的运放将运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。工作在开环或正反馈的非线性状态。比较器比较器在信号变换在信号变换、检测和波形产生电路中有广泛应用。、检测和波形产生电路中有广泛应用。此此外外由由于于高高电电平平相相当当于于逻逻辑辑“1”，低低电电平平相相当当逻逻辑辑“0”，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路，所以比较器可作为摸拟与数字电路之间的接口电路。电压比较器的基本特性电压比较器的基本特性 1.输出输出 高电平高电平(UoH)和低电平和低电平(UoL)用用运运放放构构成成的的比比较较器器，其其输输出出的的高高电电平平UoH和和低低电电平平UoL可分别接近于正电源电压可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压和负电源电压(-UCC)。电压比较器的电路符号电压比较器的电路符号 理理想想的的电电压压比比较较器器，在在高高、低低电电平平转转换换的的门门限限UT处处具具有有阶跃的传输特性。阶跃的传输特性。实实际际运运放放的的Aud不不为为无无穷穷大大。在在UT附附近近存存在在着着一一个个比比较较的的不不灵灵敏敏区区。在在该该区区域域内内输输出出既既非非UoH，也也非非UoL，故故无法对输入电平大小进行判别。无法对输入电平大小进行判别。2.鉴别灵敏度鉴别灵敏度这就要求运放：这就要求运放：显显然然，Aud越越大大，则则这这个个不不灵灵敏敏区区就就越越小小，称称比比较较器器的鉴别灵敏度越高。的鉴别灵敏度越高。转换时间转换时间 3.转换速度转换速度 作作为为比比较较器器的的另另一一个个重重要要特特性性就就是是转转换换速速度度，即即比比较器输出状态发生转换所需要的时间。较器输出状态发生转换所需要的时间。通通常常要要求求转转换换时时间间尽尽可可能能短短，以以便便实实现现高高速速比比较较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。非线性应用的条件：非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的特点理想集成运放非线性应用时的特点非线性应用特点：非线性应用特点：此时，两输入端此时，两输入端“虚短路虚短路”的概念不再适用。的概念不再适用。一一.反反相相电电压压比比较较器器 电电路路如如图图所所示示，输输入入信信号号ui加加在在反相端，参考电压反相端，参考电压ur 加在同相端。加在同相端。3.3.1 简单电压比较器简单电压比较器 ui ur，uo=UOL其传输特性其传输特性 uo=f(ui)当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。02.同相电压比较器同相电压比较器 ui ur，uo=UOH其传输特性其传输特性 uo=f(ui)当参考电压为零时，则为同相过零比较器。当参考电压为零时，则为同相过零比较器。电路如图所示，电路如图所示，输入输入 信号信号ui加在同相端，参考加在同相端，参考 电压电压ur 加在反相端。加在反相端。0例例1.若若 ui=5sint V ur=2V,UCC=12V。试试画画出出反反相相和和同同相相比比较器的输出波形。较器的输出波形。反相比较器反相比较器同相比较器同相比较器 例例2.将不规则的输入波将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。形整形成规则的矩形波。例例3.若若ur为为三三角角波波，而而ui为为缓缓变信号，实现脉宽调制。变信号，实现脉宽调制。反相比较器反相比较器反相过零比较器反相过零比较器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 .输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭；不够陡峭；.抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。3.3.2.迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器 为为了了解解决决以以上上两两个个问问题题，在在比比较较器器中中引引入入正正反反馈馈，构成所谓构成所谓“迟滞比较器迟滞比较器”。这这种种比比较较器器具具有有很很强强的的抗抗干干扰扰能能力力，同同时时由由于于正正反反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。一一.反相迟滞比较器反相迟滞比较器 反相迟滞比较器电路如反相迟滞比较器电路如图所示。图所示。R1和和R2将输出电压将输出电压uo反馈到运放的同相端，构反馈到运放的同相端，构成正反馈。为简单计，成正反馈。为简单计，R1端端所接的参考电平为地电位。所接的参考电平为地电位。下面来分析该电路的传输特性下面来分析该电路的传输特性当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为当输出一旦变为低电平，则同相端也同时跳变为 当当ui很负使很负使u 以后，以后，uo将维持在低电平。将维持在低电平。反之，反之，ui由大逐渐变小时，由于同相端电位变为由大逐渐变小时，由于同相端电位变为 因因而而ui必必须须小小到到 时时，输输出出才才由由低低电电平平跳跳变变为为高高电电平平。此此时的输入电压称为时的输入电压称为下门限电压下门限电压，记为，记为UTL。UTL=对应的传输特性曲线如图所示。对应的传输特性曲线如图所示。电压的传输特性电压的传输特性 由由于于其其传传输输特特性性很很像像磁磁性性材材料料的的磁磁滞滞回回线线，所所以以称称之之为为迟迟滞滞比比较较器器或或滞滞回回比比较较器。器。迟滞比较器的上、下门限电迟滞比较器的上、下门限电压之差称之为压之差称之为回差回差，用，用U表示，即表示，即 回差回差U的大小，将决定比较器的抗干扰能力，的大小，将决定比较器的抗干扰能力，U越越大，则抗干扰能力越强。但同时使比较器的鉴别灵敏度降大，则抗干扰能力越强。但同时使比较器的鉴别灵敏度降低。因为输入电压低。因为输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。电平不可能转换。例例4.若若 ui=5sint V，R1=10k，R2=50k，UCC=12V。试画出反相试画出反相迟滞迟滞比较器的输出波形。比较器的输出波形。解解有干扰下的迟有干扰下的迟滞比较器输出波形滞比较器输出波形 二二.同相迟滞比较器同相迟滞比较器电路如图所示，当电路如图所示，当ui很负很负使使u+u=0 时，时，uo为低电为低电平平UoL。此时，同相端电位此时，同相端电位u u+为为 当当ui由由负负增增大大到到使使U+=0时时，输输出出将将由由低低电电平平跳跳变变为高电平。此时的为高电平。此时的ui即为即为上门限电压上门限电压UTH。输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为输出一旦变为高电平，则同相端也同时跳变为UTH=0由上式解得由上式解得 反反之之，ui由由正正减减小小到到使使 时时，输输出出将将由由高高电电平平跳跳变为低电平。此时的变为低电平。此时的ui即为即为下门限电压下门限电压UTL。对应的传输特性如图所示。对应的传输特性如图所示。UTL=0由上式解得由上式解得作业：作业：p95 3-1，3-2，3-3 若若 ui=6sint v，ur=5v，R1=20k，R2=50k，UCC=12V。试画出传输特性，并画出输出电压波形。试画出传输特性，并画出输出电压波形。一一.简单电压比较器简单电压比较器二二.迟滞比较器迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器振振荡荡器器（又又称称波波形形产产生生器器）是是一一种种没没有有输输入入信信号号，在在加加电电之之后后能能自自动动产产生生一一定定形形状状、一一定定幅幅度度和和一一定定频频率率波形的电路。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为波形的电路。根据产生波形的形状不同，振荡器可分为后者主要产生方波、三角波和锯齿波等非正弦波。张弛后者主要产生方波、三角波和锯齿波等非正弦波。张弛振荡电路的类型非常多，本节只讨论用集成运放构成的振荡电路的类型非常多，本节只讨论用集成运放构成的张弛振荡电路。张弛振荡电路。75 张弛振荡器张弛振荡器一一.方波振荡器方波振荡器 方方波波振振荡荡器器是是由由运运放放构构成成反反相相迟迟滞滞比比较较器器，再再加加一一条条RC充放电支路构成，如图示。其上、下门限分别为：充放电支路构成，如图示。其上、下门限分别为：1.振荡器原理振荡器原理 加加电电后后若若uo=UoH，UoH通通过过R向向C充充电电，ui增增大大，达达到到UTH时，时，uo跳变为低电平。跳变为低电平。uo=UoL后后，C反反向向充充电电，ui减减小小，降降到到UTL时时，uo又又跳变为高电平跳变为高电平此后重复以上过程，周而复始产生振荡。此后重复以上过程，周而复始产生振荡。+振荡器电路中电容器端和输出的电压波形振荡器电路中电容器端和输出的电压波形下面来计算振荡频率下面来计算振荡频率f0 首先计算周期首先计算周期T。T=T1+T2，T1=T2，T=2T1。根据三要素法：。根据三要素法：则振则振荡频率荡频率其中其中 可可见见，只只要要调调节节电电位位器器动动臂臂的的位位置置，使使充充、放放电电时时常常数数不不等等，则则占占空空比比可可调调。但但振振荡荡周周期期（频频率率）保持不变。保持不变。为为了了表表征征方方波波高高、低低电电平平的的对对称称性性，引引入入参参数数占占空比空比D，D定义为高电平时间定义为高电平时间T1与周期与周期T的比值，即的比值，即显然，上述电路由于显然，上述电路由于T1=T2，T=2T1，所以所以 如果要求占空比可调如果要求占空比可调:如动臂向上移动时：如动臂向上移动时：T1T2，二二.三三角波角波-方波振荡器方波振荡器电路组成原理电路组成原理1.反相比较器构成的电路反相比较器构成的电路ui2.同相比较器电路构成的电路同相比较器电路构成的电路3.振荡频率振荡频率f0 在在T2时间内，时间内，uC的变化量的变化量三三.锯齿波产生器锯齿波产生器图760占空比可调的弛张振荡器四四.压控张弛振荡器压控张弛振荡器 放放大大器器 为为保保证证振振荡荡的的相相位位关关系系，uo1=UoH时时，Au=1，而而uo1=UoL时，时，Au=+1。uo1输出的调频方波波形输出的调频方波波形 控制信号控制信号uS的波形的波形EQUS76 模拟开关模拟开关 模模拟拟开开关关是是电电子子系系统统中中常常用用的的基基本本单单元元电电路路，用用来来控制信号的通断。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。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，也可以用模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用MOS场效应场效应管构成管构成 CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、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。关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。一一.CMOS传输门传输门 二二.CMOS模拟开关电路模拟开关电路 CC4046四双向模拟开关四双向模拟开关1.增益控制增益控制三三.MOS模拟开关的应用举例模拟开关的应用举例 2.脉冲调制电路脉冲调制电路3.模拟开关用于多路信号数据采集模拟开关用于多路信号数据采集 77 集成运算放大器选择指南集成运算放大器选择指南 本本章章已已经经介介绍绍了了集集成成运运算算放放大大器器在在线线性性和和非非线线性性方方面面的的应应用用。为为便便于于说说明明电电路路的的工工作作原原理理和和电电路路性性能能指指标标的的计计算算，分分析析中中我我们们都都假假设设运运放放具具有有理理想想的的特特性性。但但这这并并不不意意味味着着在在实实际际中中可可以以不不加加选选择择地地随随便便拿拿一一个个运运放放即即可使用，而不去关心运放的具体性能指标。可使用，而不去关心运放的具体性能指标。实实际际上上，器器件件的的许许多多非非理理想想因因素素会会影影响响电电路路的的性性能能，所所以以，我我们们必必须须根根据据电电路路和和信信号号的的需需要要来来精精心心地地选选择择器器件的型号。件的型号。有有关关运运放放非非理理想想特特性性带带来来运运算算误误差差的的定定量量分分析析，请请读者参考本书附录读者参考本书附录C，在此仅介绍一般的选择原则。，在此仅介绍一般的选择原则。(1).如果没有特殊要求，选用通用型运算放大器如果没有特殊要求，选用通用型运算放大器(如如LM741、LM324等等)。(2).如系统要求精密，温漂小，噪声干扰低，则选如系统要求精密，温漂小，噪声干扰低，则选择高精度、低漂移、低噪声的集成运放。择高精度、低漂移、低噪声的集成运放。(3).如系统要求运放输入阻抗高，输入偏流小，如系统要求运放输入阻抗高，输入偏流小，则选择高输入阻抗运算放大器。则选择高输入阻抗运算放大器。(4).若系统对功耗有严格要求，则选择低功耗运放。若系统对功耗有严格要求，则选择低功耗运放。(5).若系统工作频率高，则选择宽带、高速集成运若系统工作频率高，则选择宽带、高速集成运放或比较器。放或比较器。例例1.三个运算放大器分别构成三个电路，如图所示，三个运算放大器分别构成三个电路，如图所示，表表72给出了三个运算放大器的主要参数，请针对三个给出了三个运算放大器的主要参数，请针对三个电路分别选择合适的器件型号。电路分别选择合适的器件型号。表表7272三个运算放大器的主要参数三个运算放大器的主要参数 F3140 F318 F007 例例2.电电压压比比较较器器LM311构构成成的的整整形形电电路路如如图图示示。LM311电电平平转转换换时时间间为为200ns。若若分分别别输输入入频频率率为为fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的的正正弦弦信信号号，试试问问输输出出波形将有何变化。波形将有何变化。fi3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解解作业：作业：p243 7-21，7-22，7-23，7-24。