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U_i，另一个则接基准电压V_R 定门限电压(或称阀值)的U_T。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，U_i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U_i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. U_i与U_R分别接运放两输入端的开环串接比较器，见图8.2.2

 

ΔU_i>U_R Uo=+Uom

ΔU_i<U_R Uo=-Uom

ΔU_i=U_R Uo发生翻转(或称突变)

U_T=U_R 谶纬门限电压或阀值，若UR=0称为过零比较器

Δ当U_i与U_R互换位置，此时Uo以U_i=U_R为对称轴与交换量对称。

2. U_i与U_R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U_i受到干扰，在阀值附近回出现U_i+ΔU_i(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：U_i接运放同相端

反相型：U_i接运放反相端

Δ均由二根传输特性(1)，(2)合成，同相型. 当U_i从低值↑≥U_TH，Uo从U_OL↑U_OH；当U_i从高值↓≤U_TL时，Uo从U_OH↓U_OL。    反相型则类同。

Δ U_TH，U_TL为二个阀值，ΔU_T(回差)＝U_TH－U_TL

Δ |U_OH|=|U_OL|或|U_OH|≠|U_OL|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

 

U_i=U－，Uo被箝位在±UZ，避免运放计入过饱和。

假设U_i在足够低时，U_i<U+，Uo=U_off=+U_Z (始终稳定)

此时

Δ当U_i从低值↑ 若U_i≥U+时，Uo从+U_Z↓ -U_Z

此时

Δ当U_i从高值↓至U_i≤，Uo从-U_Z↑+U_Z

Δ门限宽度ΔU_T=U_TH-U_TL=

Δ当U_R=0时，

ΔU_i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ΔU_T=U_TH-U_TL

幅度大于U_I  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

 U_TL=U－

设U_i足够低，使U₊  < U_－=U_R，Uo=U_oL=-U_Z (初始稳态)

若要使Uo从-U_Z上升到+U_Z，必须使U_i↑，以致使U+≥U－=U_R才行，而此时对应U_R的U_i=U_TH

Δ当U_i从低值↑，使

即 此时Uo从-U_Z↑+U_Z

Δ当U_i从高值↓，使时所对应的U_i=U_TL

即 此时Uo从+U_Z↓-U_Z

 

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U_i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U_i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。

 

ΔU_i<U_RL(<U_RH) 

ΔU_i>U_RH(>U_RL) 

ΔU_RL<U_i<U_RH 

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U_RL及U_RH

 

 

对应图 8.2.7(b) 传输特性可画出β与Uo的关系

即