1、第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關第第3章章 電壓比較器電壓比較器、馳張振蕩器馳張振蕩器 及模擬開關及模擬開關 電壓比較器電壓比較器 馳張振蕩器馳張振蕩器 模擬開關模擬開關第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關 電壓比較器的功能是對兩個輸入電壓的大小進行比較，并根電壓比較器的功能是對兩個輸入電壓的大小進行比較，并根據比較結果輸出高、低兩個電平。據比較結果輸出高、低兩個電平。3.1 電壓比較器電壓比較器 電壓電壓比較器有專用的集成芯片可供使用，也可用集成運放比較器有專用的集成芯片可供使用，也可用集成運放組成。組成。用作比較器的運放將用作比較器的運放將工作在開環或正反饋的非線性工作在開環或

2、正反饋的非線性狀態。狀態。 在信號變換在信號變換、檢測、檢測和波形產生電路中有廣泛應用。和波形產生電路中有廣泛應用。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關電壓比較器的基本特性電壓比較器的基本特性 1). 輸出高電平輸出高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL) 用運放構成的比較器，其輸出的高電平用運放構成的比較器，其輸出的高電平UoH和低電平和低電平UoL可分別接近于正電源電壓可分別接近于正電源電壓(UCC)和負電源電壓和負電源電壓(-UCC)。電壓比較器的電路符號電壓比較器的電路符號第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關 理想的電壓比較器，在理想的電壓比較器，在高、低電平轉換的門限高、低

3、電平轉換的門限UT處處具有階躍的傳輸特性。具有階躍的傳輸特性。 實際運放的實際運放的Aud不為無窮大。在不為無窮大。在UT附近存在著一個比附近存在著一個比較的不靈敏區。在該區域內輸出既非較的不靈敏區。在該區域內輸出既非UoH，也非，也非UoL，故，故無法對輸入電平大小進行判別無法對輸入電平大小進行判別。2). 鑒別靈敏度鑒別靈敏度udA 要求運放：要求運放： 顯然，顯然，Aud越大，則這個不靈敏區就越小，稱比較器越大，則這個不靈敏區就越小，稱比較器的鑒別靈敏度越高。的鑒別靈敏度越高。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關轉換時間轉換時間 3).轉換速度轉換速度 比較器輸出狀態發生轉換所需要的

4、時間。比較器輸出狀態發生轉換所需要的時間。 通常要求轉換時間盡可能短，以便實現高速比較。通常要求轉換時間盡可能短，以便實現高速比較。為此可對比較器施加正反饋，以提高轉換速度。為此可對比較器施加正反饋，以提高轉換速度。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關非線性應用的條件：非線性應用的條件：運放開環或施加正反饋。運放開環或施加正反饋。理想集成運放非線性應用時的特點理想集成運放非線性應用時的特點非線性應用特點：非線性應用特點：0oCCoLoCCoHiiuuuUUuuuUU 此時，兩輸入端此時，兩輸入端“虛短路虛短路”的概念不再適用。的概念不再適用。 i-i+第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開

5、關 1.) 反相電壓比較器反相電壓比較器 電路如圖所示，電路如圖所示， 輸入信號輸入信號ui加在加在反相端，參考電壓反相端，參考電壓ur 加在同相端。加在同相端。 1. 1. 簡單電壓比較器簡單電壓比較器 ui ur ， uo=UOL 傳輸特性傳輸特性 uo= f ( ui )當該電路的參考電壓為零時，則為反相過零比較器。當該電路的參考電壓為零時，則為反相過零比較器。 0UoH第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2). 同相電壓比較器同相電壓比較器 ui ur ， uo=UOH傳輸特性傳輸特性 uo= f ( ui )當參考電壓為零時，則為同相過零比較器。當參考電壓為零時，則為同相過零比較

6、器。 電路如圖所示，電路如圖所示， 輸入輸入 信號信號ui加在同相端，參考加在同相端，參考 電壓電壓ur 加在反相端。加在反相端。 0第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關例例1. 若若 ui=5sint V ur =2V, UCC =12V。 試畫出反相和同相比試畫出反相和同相比較器的輸出波形。較器的輸出波形。反相比較器反相比較器同相比較器同相比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關 例例2.將不規則的輸入波將不規則的輸入波形整形成規則的矩形波。形整形成規則的矩形波。 例例3.若若ur為三角波，而為三角波，而ui為緩為緩變信號，實現脈寬調制。變信號，實現脈寬調制。 反相比較器反相比較

7、器反相過零比較器反相過零比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關 0UoH 反相電壓比較器反相電壓比較器同相電壓比較器同相電壓比較器 0 簡單電壓比較器小結簡單電壓比較器小結第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關簡單比較器應用中存在的問題簡單比較器應用中存在的問題 . 輸出電壓轉換時間受運放的限制，使高頻脈沖的邊緣輸出電壓轉換時間受運放的限制，使高頻脈沖的邊緣不夠陡峭；不夠陡峭；. 抗干擾能力差。在比較門限處，輸出將產生多次跳變。抗干擾能力差。在比較門限處，輸出將產生多次跳變。2. 2. 遲滯比較器遲滯比較器雙穩態觸發器雙穩態觸發器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關解決方法：在比

8、較器中引入解決方法：在比較器中引入正反饋正反饋，構成，構成 “遲滯比較器遲滯比較器”。有很強的抗干擾能力。同時，由于有很強的抗干擾能力。同時，由于正反饋加速了狀態轉換正反饋加速了狀態轉換，改善輸出波形的邊緣。改善輸出波形的邊緣。1).1).反相遲滯比較器反相遲滯比較器 反相遲滯比較器電路如反相遲滯比較器電路如圖所示。圖所示。 R1和和R2將輸出電壓將輸出電壓uo反饋到運放的同相端，構反饋到運放的同相端，構成正反饋。為簡單計，成正反饋。為簡單計，R1端端所接的參考電平為地電位。所接的參考電平為地電位。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關112foHRUUURR當輸出一旦變為低電平，則同相端也

9、同時跳變為當輸出一旦變為低電平，則同相端也同時跳變為 當當ui很負使很負使u 以后，以后，uo將維持在低電平。將維持在低電平。UUU第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關112oLRUUURR 反之，反之，ui由大逐漸變小時，由于同相端電位變為由大逐漸變小時，由于同相端電位變為 因而因而ui必須小到必須小到 時，輸出才由低電平跳變為高電平。時，輸出才由低電平跳變為高電平。此時的輸入電壓稱為此時的輸入電壓稱為下門限電壓下門限電壓，記為，記為UTL。 UTL= UU電壓的傳輸特性電壓的傳輸特性曲線如圖所示：曲線如圖所示： UTHUTL112THoHRUURR112TLoLRUURR第三章 電壓比

10、較器、張馳振蕩器及模擬開關 由于其傳輸特性很像磁由于其傳輸特性很像磁性材料的磁滯回線，性材料的磁滯回線，111212()2THTLoHoLCCRRUUUUUURRRR 遲滯比較器的上、下門限電遲滯比較器的上、下門限電壓之差稱之為壓之差稱之為回差回差，用，用U表示。表示。 回差回差U的大小，將決定比較器的抗干擾能力，的大小，將決定比較器的抗干擾能力， U越越大，則抗干擾能力越強，同時比較器的鑒別靈敏度降低大，則抗干擾能力越強，同時比較器的鑒別靈敏度降低。因為輸入電壓因為輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉換。不可能轉換。第三章 電壓比較器、

11、張馳振蕩器及模擬開關例例4. 若若 ui=5sint V ， R1 =10k， R2 =50k ，UCC =12V。 試畫出反相試畫出反相遲滯遲滯比較器的輸出波形。比較器的輸出波形。1012210 50THUV10( 12)210 50TLUV 解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關有干擾下的遲滯比較器輸出波形有干擾下的遲滯比較器輸出波形第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2）. 同相遲滯比較器同相遲滯比較器電路如圖所示，電路如圖所示， 當當ui很負，使很負，使u+ u=0 時，時，uo為低電平為低電平UoL。 此時，同相端電位此時，同相端電位u u+ +為為211212ioLRRU

12、uURRRR 當當ui由負增大到使由負增大到使U+=0時，輸出將由低電平跳變為時，輸出將由低電平跳變為高電平。此時的高電平。此時的ui即為即為上門限電壓上門限電壓UTH。輸出一旦變為高電平，則同相端也同時跳變為輸出一旦變為高電平，則同相端也同時跳變為=012THoLRUUR 由上式解得由上式解得第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關211212ioHRRUuURRRR 反之，反之，ui由正減小到使由正減小到使 時，輸出將由高電平跳變時，輸出將由高電平跳變為低電平。此時的為低電平。此時的ui即為即為下門限電壓下門限電壓UTL。0U 傳輸特性如圖所示。傳輸特性如圖所示。=012TLoHRUUR

13、由上式解得由上式解得12THoLRUUR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關例例5. 若若 ui=5sint V ， R1 =10k， R2 =60k ，UCC =12V。 試畫出反相試畫出反相遲滯遲滯比較器的輸出波形。比較器的輸出波形。10( 12)260THOLUUV 12RR10(12)260TLUV解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關振蕩器（又稱波形產生器）振蕩器（又稱波形產生器）是一種沒有輸入信號，在加是一種沒有輸入信號，在加電之后能自動產生一定形狀、一定幅度和一定頻率波形電之后能自動產生一定形狀、一定幅度和一定頻率波形的電路的電路。根據產生波形的形狀不同，振蕩器可分為。

14、根據產生波形的形狀不同，振蕩器可分為后者主要產生方波、三角波和鋸齒波等非正弦波。弛張后者主要產生方波、三角波和鋸齒波等非正弦波。弛張振蕩電路的類型非常多，本節只討論用集成運放構成的振蕩電路的類型非常多，本節只討論用集成運放構成的弛張振蕩電路。弛張振蕩電路。3.2 弛張振蕩器弛張振蕩器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關1. 方波振蕩器方波振蕩器 方波振蕩器是由運放構成反相遲滯比較器，再加一條方波振蕩器是由運放構成反相遲滯比較器，再加一條RC充放電支路構成。充放電支路構成。212TLoLoLoHRUUUURR-212THoHRUURR反相遲滯比較器的傳輸特性及其上、下門限分別為：反相遲滯比較

15、器的傳輸特性及其上、下門限分別為：第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關UoHUoL1）. 電路振蕩原理電路振蕩原理 加電后若加電后若uo=UoH，UoH通過通過R向向C充電，充電，ui增大增大，達達到到UTH時，時，uo跳變為低電平。跳變為低電平。 uo=UoL后，后，C反向充電，反向充電，ui減小減小，降到降到UTL時，時，uo又又跳變為高電平跳變為高電平此后重復以上過程，周而復始產生振蕩。此后重復以上過程，周而復始產生振蕩。+第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2）振蕩器電路中電容器端和輸出的電壓波形）振蕩器電路中電容器端和輸出的電壓波形212TLoLRUURR212THoHRUU

16、RR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關11( )(0 )ln( )()CCCCuuTuuT 121ln2ln(1)oHTLoHTHUUTUURRCR首先計算周期首先計算周期T。T=T1+T2， T1=T2，T=2T1。根據三要素法：。根據三要素法：0121111222ln(1)fRTTRCR則振蕩頻率則振蕩頻率21221120()CTLoLCoHCTHoHRUUURRUURuTUURRRC（ ）（）其中：其中：3）計算振蕩頻率）計算振蕩頻率f0第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2112ln(1)RTRCR0121111222ln(1)fRTTRCR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模

17、擬開關062131122 10250.1 10ln(1)2ln(1)1011825 10ln3fRRCRHz3210例例1. 已知已知 R1 =R2 =10k， R =25k，C =0.1F。 試求輸出方波的頻率試求輸出方波的頻率fo。第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關相位相反相位相反2. 2. 三角波三角波- -方波振蕩器方波振蕩器電路組成原理電路組成原理替換替換第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關1). 反相比較器構成的電路反相比較器構成的電路ui相位相同相位相同uo1第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2 2）. . 同相比較器電路構成的電路同相比較器電路構成的電路ui第三

18、章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關12THoLRUUR 12TLoHRUUR 3）. 振蕩頻率振蕩頻率f0的確定的確定122THTLCoHRUUUUUR 122022121124R RCRTfRTTR RCoHCUiR1222TTTT 在在T2時間內，時間內，uC的變化量的變化量2201ToHCCUUi dtTCRCoLoHUU 122oHRUR第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關例例2. 已知已知 UCC=12V，R1 =10k，R2=20k，R =50k， C =0.01F。 試求輸出試求輸出uo1和和uo2波形的幅度和頻率。波形的幅度和頻率。3203361120 10100044

19、10 1050 100.01 10RfHzTR RC112o moHCCUUUV112221012620o moHCCRRUUUVRR解：解：第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關3.3 單片集成專用電壓比較器單片集成專用電壓比較器第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關單片集成專用電壓比較器單片集成專用電壓比較器1. 通用低速型通用低速型(LM311/211/111)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關2.通用型通用型/中速型中速型(LM119)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關3. 高精度高精度/低失調低失調/低功耗低功耗(LM339/239/139)第三章 電壓比較器、張馳振

20、蕩器及模擬開關4. 高速高速/低功耗低功耗(MAX901903)第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關例例. 電壓比較器電壓比較器LM311構成的整形電路如圖示。構成的整形電路如圖示。LM311電平轉換時間為電平轉換時間為200ns。若分別輸入頻率為。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=2MHz，fi3=5MHz的正弦信號，試問輸出波形將有何的正弦信號，試問輸出波形將有何變化。變化。 fi3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解解第三章 電壓比較器、張馳振蕩器及模擬開關3.4 模擬開關模擬開關 浮地模擬開關是電子系統中常用的基本單元電路，浮地模擬開關是電子系統中常用的基本單元電路，用來控制信號