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1、非线性运算电路(2)第1页，此课件共49页哦10.5 10.5 电压比较器电压比较器电压比较器的功能电压比较器的功能是比较两个输入电压值的大小，比较结果以输出两个是比较两个输入电压值的大小，比较结果以输出两个不同数值的恒定电压表示。不同数值的恒定电压表示。用集成运放构成比较器时，运放通常是用集成运放构成比较器时，运放通常是开环或正反馈连接方式开环或正反馈连接方式，工作在，工作在饱和区，虚断成立，但虚短不成立。饱和区，虚断成立，但虚短不成立。10.5.1 10.5.1 单限比较器单限比较器 单限电压比较器如图单限电压比较器如图10.5.1(a)10.5.1(a)所示。图中所示。图中vI I从反相
2、端输入，称为反相单限从反相端输入，称为反相单限电压比较器，简称为电压比较器，简称为反相比较器反相比较器。V VR R是参考电压，输出电压是参考电压，输出电压v vO O表示表示v vI I与与V VR R的比较结果。的比较结果。vIvOVRA(a)电路vpvn第31页，此课件共49页哦vIvOVRA(a)电路vpvn注意注意运放输入端开路，同相端电位运放输入端开路，同相端电位vp p与反相端电位与反相端电位vn n具有较大差值。具有较大差值。vOvI(c)同相传输特性VOHVOLoVT=VR传输特性如图传输特性如图10.5.1(c)10.5.1(c)所示。所示。阈值电压或门限电压阈值电压或门限
3、电压VT：使输出发生跳变的输入电压值：使输出发生跳变的输入电压值阈值电压或门限电压VT：当当V VR R=0=0时，时，V VT T=0=0，输出电压在输入电压过零时跳变，所以称为，输出电压在输入电压过零时跳变，所以称为过过零比较器。零比较器。第32页，此课件共49页哦 3.3.输出电压输出电压跳变方向跳变方向：判断输入电压上升越过阈值电压时输出电压的：判断输入电压上升越过阈值电压时输出电压的跳变方向，即可确定传输特性。跳变方向，即可确定传输特性。输入电压接入运放的同相端，则输入电压上升越过阈值电压输入电压接入运放的同相端，则输入电压上升越过阈值电压V VT T时，输出时，输出电压产生正跳变（
4、同相比较器）。电压产生正跳变（同相比较器）。输入电压接入运放的反相端，则输入电压上升越过阈值电压输入电压接入运放的反相端，则输入电压上升越过阈值电压V VT T时，输出电时，输出电压产生负跳变（反相比较器）。压产生负跳变（反相比较器）。vOvI同相传输特性VOHVOLoVT=VRvOvI反相传输特性VOHVOLoVT=VR第33页，此课件共49页哦集成：图10.5.3反相过零比较器vIvOARD1D2 当当v vI I00时，运放输出电压上升至时，运放输出电压上升至V Vonon+V+VZ1Z1时，时，D D2 2正向导通、正向导通、D D1 1击穿稳压，击穿稳压，引入负反馈，输出电压为引入负
5、反馈，输出电压为V Vonon+V+VZ1Z1，运放不能进入正饱和；，运放不能进入正饱和；反相过零比较器反相过零比较器 如图如图10.5.310.5.3所示，图中增加了稳压二极管所示，图中增加了稳压二极管D D1 1和和D D2 2组成的限幅电路。组成的限幅电路。在稳压管的稳定电压满足在稳压管的稳定电压满足V Vonon+V+VZ1Z1VVOsat+Osat+和和V Vonon+V+VZ2Z2|V00时，运放输出电压下降至时，运放输出电压下降至-(V-(Vonon+V+VZ2Z2)时，时，D D1 1正向导通、正向导通、D D2 2击穿稳压，击穿稳压，引入负反馈，输出电压为引入负反馈，输出电压
6、为-(V-(Vonon+V+VZ2Z2)，运放不能进入负饱和。即，运放不能进入负饱和。即第34页，此课件共49页哦 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时时，输出为方波。输出为方波。电压传输特性电压传输特性过零比较器应用：过零比较器应用：波形变换波形变换同相vOvIVOHVOLo第35页，此课件共49页哦解：解：补补充充：图图示示为为另另一一种种形形式式的的单单门门限限电电压压比比较较器器，试试求求出出其其门门限限电电压压(阈阈值值电电压压)VT，画画出出其其电电压压传传输输特特性性。设设运运放放输输出出的的高高、低低电电平分别为平分别为VOH和和VOL。利用叠加原理可得利用叠加原理可
7、得因为因为vPvN0，即，即门限电压门限电压门限电压门限电压(阈值电压阈值电压)VT：使输出发生跳：使输出发生跳变的输入电压值。变的输入电压值。同相VT第36页，此课件共49页哦10.5.2 10.5.2 集成电压比较器（略）集成电压比较器（略）T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4组成复合共射极差分放大电路，组成复合共射极差分放大电路，T T5 5和和T T6 6是有源负是有源负载，载，I I1 1是差放的电流源；由于是差放的电流源；由于T T1 1和和T T4 4的静态电流仅为的静态电流仅为10A10A，它们的输入电，它们的输入电阻阻r rbebe可达可达100k100k
8、以上，使整个电路的输入电阻很大，输入电流近似为以上，使整个电路的输入电阻很大，输入电流近似为零（虚断）。零（虚断）。T T3 3和电流源和电流源I I2 2是共射极放大电路。是共射极放大电路。T T8 8和外接上拉电阻和外接上拉电阻R R组成组成反相器，反相器，T T8 8工作在开关状态，即饱和导通或者截止。工作在开关状态，即饱和导通或者截止。LM193/293/393LM193/293/393的电源电压范围宽，（的电源电压范围宽，（VCC-VSSVCC-VSS）在）在236V236V之间。之间。电源电压不影响电源电压不影响2 2个电流源的电流大小，工作稳定。个电流源的电流大小，工作稳定。VS
9、SVSS通常接地，也可以通常接地，也可以接负电源。接负电源。LM193/293/393LM193/293/393的响应时间可达的响应时间可达0.3S0.3S。为了提高比较器的响应速度，可采用专用的集成电压比较器。为了提高比较器的响应速度，可采用专用的集成电压比较器。图图10.5.510.5.5是集成电压比较器是集成电压比较器LM193/293/393LM193/293/393的电路原理图、管脚图和连接成的电路原理图、管脚图和连接成反相电压比较器。反相电压比较器。图10.5.5 集成电压比较器LM193/293/393电路原理图、管脚图和反相电压比较器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCL
10、M393R 10kVSST2T1T5T3T6T4T7T8D3D1D4D2I1I2 T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4组成复合共射极差分放大电路，组成复合共射极差分放大电路，T T5 5和和T T6 6是有源负载，是有源负载，I I1 1是差放的电流源；是差放的电流源；第37页，此课件共49页哦单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力若应为高电平错误电平简单电压比较器是当简单电压比较器是当输入信号达到某一给定输入信号达到某一给定基准电平时，立即翻转，基准电平时，立即翻转，用来检测未知电压，具用来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但是有较高的灵敏度。但是它易受漂移、噪声
11、及它易受漂移、噪声及干扰的影响，造成误动作干扰的影响，造成误动作。抗干扰能力较差抗干扰能力较差第42页，此课件共49页哦10.5.3 10.5.3 迟滞比较器迟滞比较器(也称为双门限比较器也称为双门限比较器)在迟滞比较器中，运放引入正反馈。输出电压将影响阈值电压，使输入电压上升和下降过在迟滞比较器中，运放引入正反馈。输出电压将影响阈值电压，使输入电压上升和下降过程的阈值电压不同，传输特性形成滞环状程的阈值电压不同，传输特性形成滞环状(a)反相迟滞比较器的传输特性反相迟滞比较器的传输特性箭头表示输出跳变方向箭头表示输出跳变方向 上限阈值电压和下限阈值电压的平均值定义为中心电压上限阈值电压和下限阈
12、值电压的平均值定义为中心电压V0。如果中心电压为如果中心电压为0，则是过零迟滞比较器。，则是过零迟滞比较器。第43页，此课件共49页哦1反相迟滞比较器反相迟滞比较器正反馈正反馈（1）输出高电平）输出高电平VOH和输出低电平和输出低电平VOL在运放在运放输出正饱电压输出正饱电压VOsat+时时，稳压管，稳压管DZ被击穿稳压，被击穿稳压，电阻电阻R3限流保护限流保护DZ，输出高电平：，输出高电平：在运放输出负饱电压在运放输出负饱电压VOsat-时，稳压管时，稳压管DZ被击穿稳压，被击穿稳压，电阻电阻R3限流保护限流保护DZ，输出低电平，输出低电平（2）阈值电压）阈值电压VT+和和VT-使使vn=v
13、p的输入电压即是阈值电压的输入电压即是阈值电压VT，即，即上限阈值电压上限阈值电压:下限阈值电压下限阈值电压:回差电压回差电压VT:第44页，此课件共49页哦中心电压是上限阈值电压和下限阈值电压的平均值中心电压是上限阈值电压和下限阈值电压的平均值(a)反相迟滞比较器的传输特性反相迟滞比较器的传输特性第45页，此课件共49页哦2同相迟滞比较器同相迟滞比较器（1 1）输出高电平）输出高电平V VOHOH和输出低电平和输出低电平V VOLOL（2 2）阈值电压）阈值电压V VT+T+和和V VT-T-使使vn=vp的输入电压既是阈值电压的输入电压既是阈值电压V VT T，即，即上限阈值电压上限阈值电
14、压:下限阈值电压下限阈值电压回差电压回差电压VT为为中心电压为中心电压为第46页，此课件共49页哦补补充充题题（10分）分）电路如图2所示。设运放A的电源电压为+15V和-15V，稳压管是硅管，试画出该电路的传输特性。解：vIvo第47页，此课件共49页哦10.5.4 10.5.4 窗口比较器窗口比较器 当输入电压单方向变化时，单限比较器和迟滞比较器的输出只能跳变一次。因此只能判断输入当输入电压单方向变化时，单限比较器和迟滞比较器的输出只能跳变一次。因此只能判断输入电压大于或小于某一参考电平。如果希望检测输入电压是否在两个规定电平之间，就应采用窗口比电压大于或小于某一参考电平。如果希望检测输入
15、电压是否在两个规定电平之间，就应采用窗口比较器。较器。1当当vIVRLVRH时，时，vO1=VOL，vO2=VOH，D1截止，截止，D2导通，输出高电平，即导通，输出高电平，即vO=VOH。2 2当当VRLvIVRH时，时，vO1=V=VOLOL0 0，vO2=V=VOLOL0 0，D D1 1和和D D2 2均截止均截止，输出电压为零，即，输出电压为零，即vO=0=0。3当当vIVRH时，时，vO1=VOH，vO2=VOL，D1导通，导通，D2截止，输出高电平，即截止，输出高电平，即vO=VOH。当输入电压在两个当输入电压在两个规定电平之间时，输出规定电平之间时，输出为低电平；当输入电压为低电平；当输入电压为其他值时，输出电压为其他值时，输出电压为高电平。为高电平。第48页，此课件共49页哦作业：作业：10.11 10.12 10.1410.11 10.12 10.14补补充充题题（10分）分）电路如图2所示。设运放A的电源电压为+15V和-15V，稳压管是硅管，试画出该电路的传输特性。vIvo第49页，此课件共49页哦