考研模电·零基础讲义 · 第 16 讲(上)|电压比较器:单门限、滞回比较器、窗口比较器
学完这一讲,你能说清比较器里的运放为什么"不讲虚短",会用"令v P = v N v_P=v_N v P = v N "求任何比较器的门限电压,会画电压传输特性(抓住三要素),会算滞回比较器的上、下门限和回差,并能画出给定输入下的输出波形。预计用时 2.5~3 小时。
本讲地图#
比较器是什么 :把输入电压和一个参考电压比大小,输出只有高、低两种电平——模拟世界到数字世界的"门卫"。
单门限比较器 :只有一个门限电压V T V_T V T ;过零比较器是V T = 0 V_T=0 V T = 0 的特例。简单灵敏,但怕干扰。
滞回(迟滞)比较器 :引入正反馈 ,有两个门限V T + V_{T+} V T + 、V T − V_{T-} V T − ,回差Δ V T \Delta V_T Δ V T 让它不怕干扰。
窗口比较器 :两个比较器组合,判断输入是否落在V R E F 1 ∼ V R E F 2 V_{REF1}\sim V_{REF2} V R E F 1 ∼ V R E F 2 之间。
万能方法 :输出只有V O H V_{OH} V O H 、V O L V_{OL} V O L ;令v P = v N v_P=v_N v P = v N 解出的v I v_I v I 就是门限 ;传输特性三要素 = 输出高低电平 + 门限电压 + 跳变方向。
华师怎么考 :考纲"波形的发生与变换电路"。比较器是方波、三角波发生器的核心(第 16 讲(下)),常考求门限、画传输特性、画输出波形。
教材对应 :第 10 章 10.8.1 节。
重要度 :⭐⭐⭐ 必考核心 / ⭐⭐ 理解 / ⭐ 了解。最该练熟:门限电压的求法、滞回比较器全套(门限、回差、传输特性、波形);集成比较器型号与响应时间了解即可。
前置知识#
理想运放的虚断(输入电流为 0);开环增益极大(见第 12 讲(上))。
叠加原理、分压公式(见第 01 讲(上))。
正反馈与负反馈(见第 13 讲(一))。
稳压管的稳压特性与双向稳压管限幅(见第 03 讲(下))。
一、比较器是什么,运放为什么"不讲虚短" ⭐⭐⭐#
1.1 大白话:门卫和"一刀切"#
电梯的超载报警:载重小于 1000 kg,绿灯;超过 1000 kg,红灯加蜂鸣。它不关心你超了多少,只关心"超没超"——这就是比较器:
输入v I v_I v I :被比较的电压("载重");
参考电压V R E F V_{REF} V R E F :比较的标准("1000 kg");
输出v O v_O v O :只有两种状态,高电平V O H V_{OH} V O H 或低电平V O L V_{OL} V O L ("绿灯/红灯")。
1.2 运放工作在非线性区#
运放开环增益A o d A_{od} A o d 极大(10 5 10^5 1 0 5 以上)。没有负反馈 时,输入端只要差一点点(比如 0.1 mV),A o d × 0.1 mV A_{od}\times0.1\,\text{mV} A o d × 0.1 mV 就超过电源电压,输出只能"顶到头":
v P > v N v_P>v_N v P > v N :v O = V O H v_O=V_{OH} v O = V O H (正饱和,约+ V C C +V_{CC} + V C C 或被限幅电路钳位);
v P < v N v_P<v_N v P < v N :v O = V O L v_O=V_{OL} v O = V O L (负饱和)。
所以比较器里运放工作在开环或正反馈 状态,处于非线性区 。由此有两条重要规则:
规则
线性应用(放大、运算)
比较器
虚断i P = i N = 0 i_P=i_N=0 i P = i N = 0
成立
仍成立 (输入电阻很大)
虚短v P = v N v_P=v_N v P = v N
成立
不成立 ;v P = v N v_P=v_N v P = v N 只在翻转的那一瞬间 成立
⚠️ 这是整讲最重要的一句话:比较器分析中,"v P = v N v_P=v_N v P = v N "不是一直成立的等式,而是"翻转条件" 。用它来求门限电压,而不能用它来求输出。
1.3 电压传输特性与三要素#
描述比较器的是电压传输特性 :横轴v I v_I v I ,纵轴v O v_O v O 。教材总结它的三要素:
输出的高、低电平 V O H V_{OH} V O H 、V O L V_{OL} V O L ;
门限电压 (阈值电压)V T V_T V T :令v P = v N v_P=v_N v P = v N 求出的v I v_I v I ;
跳变方向 :v I v_I v I 从小到大经过门限时,v O v_O v O 是从高跳到低,还是从低跳到高。
只要三要素齐了,传输特性就画出来了。跳变方向 看v I v_I v I 接在哪个输入端:接同相端 ,v I v_I v I 增大时v O v_O v O 由低跳高;接反相端 ,v I v_I v I 增大时v O v_O v O 由高跳低。
1.4 输出限幅#
运放饱和输出约比电源低 1~2 V,而且从深度饱和中退出较慢。常在输出端接限流电阻和双向稳压管 ,把输出钳在± V Z \pm V_Z ± V Z (教材图 10.8.1c 的思路),好处是:电平准确、与后级数字电路匹配、加快响应。
双向稳压管(两个稳压管背靠背串联)的限幅值严格说是± ( V Z + V D ) \pm(V_Z+V_D) ± ( V Z + V D ) ,V D V_D V D 为另一只管子的正向压降;题目通常直接给"± V Z \pm V_Z ± V Z "或说明忽略V D V_D V D ,按题意即可。
二、单门限电压比较器 ⭐⭐⭐#
2.1 最基本的形式#
v I v_I v I 接同相端,V R E F V_{REF} V R E F 接反相端(教材图 10.8.1a):
v I > V R E F ⇒ v O = V O H ; v I < V R E F ⇒ v O = V O L v_I>V_{REF}\ \Rightarrow\ v_O=V_{OH};\qquad v_I<V_{REF}\ \Rightarrow\ v_O=V_{OL} v I > V R E F ⇒ v O = V O H ; v I < V R E F ⇒ v O = V O L
门限V T = V R E F V_T=V_{REF} V T = V R E F 。若V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 ,输入每次过零输出就翻转一次,叫过零比较器 ——可以把正弦波变成方波。
2.2 例题 1(教材例 10.8.1):用比较器做"脉宽调制"#
题 :图 10.8.1a 电路,± V C C = ± 12 V \pm V_{CC}=\pm12\,\text{V} ± V C C = ± 12 V ,运放理想,v I v_I v I 为峰值 6 V 的对称三角波。分别画出V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 、+ 2 V +2\,\text{V} + 2 V 、− 4 V -4\,\text{V} − 4 V 时的输出波形,并求输出为高电平的时间占一个周期的比例。
解 :v I v_I v I 接同相端,v I > V R E F v_I>V_{REF} v I > V R E F 时v O = + 12 V v_O=+12\,\text{V} v O = + 12 V ,否则− 12 V -12\,\text{V} − 12 V 。
三角波在− 6 ∼ + 6 V -6\sim+6\,\text{V} − 6 ∼ + 6 V 之间匀速上下,v I > V R E F v_I>V_{REF} v I > V R E F 的时间比例= 6 − V R E F 12 =\frac{6-V_{REF}}{12} = 12 6 − V R E F :
V R E F V_{REF} V R E F
高电平比例
输出波形
0
50%
对称方波
+2 V
33.3%
窄脉冲(高电平变窄)
−4 V
83.3%
宽脉冲
(Python 对三角波逐点比较,得到 50.00%、33.33%、83.33%。)
结论:改变V R E F V_{REF} V R E F 就能改变输出脉冲宽度,这叫脉宽调制 ,是开关电源、电机调速的基础。
2.3 另一种形式:输入和参考都接同一端(叠加法)#
教材例 10.8.2:v I v_I v I 经R 1 R_1 R 1 、V R E F V_{REF} V R E F 经R 2 R_2 R 2 共同接到同相端,反相端接地。
求门限的步骤 :
用叠加原理写v P v_P v P (虚断,P 点不取电流):
v P = R 2 R 1 + R 2 v I + R 1 R 1 + R 2 V R E F v_P=\frac{R_2}{R_1+R_2}v_I+\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF} v P = R 1 + R 2 R 2 v I + R 1 + R 2 R 1 V R E F
翻转时v P = v N = 0 v_P=v_N=0 v P = v N = 0 :R 2 v I + R 1 V R E F = 0 R_2v_I+R_1V_{REF}=0 R 2 v I + R 1 V R E F = 0 ;
解出门限:
V T = − R 1 R 2 V R E F V_T=-\frac{R_1}{R_2}V_{REF} V T = − R 2 R 1 V R E F
⚠️ 注意:这里v I v_I v I 的系数里是R 2 R_2 R 2 (与v I v_I v I 不相连 的那个电阻)。为了避免记错,建议每次都按叠加原理现推 ,不要死记。教材原式写作V T = − R 2 R 1 V R E F V_T=-\frac{R_2}{R_1}V_{REF} V T = − R 1 R 2 V R E F ,对应的是教材图中R 1 R_1 R 1 、R 2 R_2 R 2 的具体位置;换了标号公式就变,方法不变 。
例题 2 :上面电路中,接v I v_I v I 的电阻R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω 、接V R E F V_{REF} V R E F 的电阻R 2 = 20 k Ω R_2=20\,\text{k}\Omega R 2 = 20 k Ω ,V R E F = − 1 V V_{REF}=-1\,\text{V} V R E F = − 1 V 。求门限。
解 :v P = 20 30 v I + 10 30 × ( − 1 ) v_P=\frac{20}{30}v_I+\frac{10}{30}\times(-1) v P = 30 20 v I + 30 10 × ( − 1 ) 。令v P = 0 v_P=0 v P = 0 :20 v I = 10 20v_I=10 20 v I = 10 ,V T = 0.5 V V_T=0.5\,\text{V} V T = 0.5 V 。(套公式:V T = − R 1 R 2 V R E F = − 10 20 × ( − 1 ) = 0.5 V V_T=-\frac{R_1}{R_2}V_{REF}=-\frac{10}{20}\times(-1)=0.5\,\text{V} V T = − R 2 R 1 V R E F = − 20 10 × ( − 1 ) = 0.5 V ✓。)
验算习惯 :把v I = V T v_I=V_T v I = V T 代回去,看v P v_P v P 是否正好等于v N v_N v N 。叠加时两个系数最容易写反(v I v_I v I 的系数里是与v I v_I v I 不相连 的那个电阻),这一步能把错误抓出来。若把两个电阻对调(接v I v_I v I 的为 20 kΩ),门限就变成 2 V。
2.4 单门限的致命弱点:怕干扰#
如果输入里叠加了干扰,在v I ≈ V T v_I\approx V_T v I ≈ V T 附近,干扰让v I v_I v I 一会儿高于V T V_T V T 、一会儿低于V T V_T V T ,输出就会反复乱跳 。电路越灵敏,越容易乱跳。这正是滞回比较器要解决的问题(见图 2 第二行)。
三、滞回比较器(迟滞比较器)⭐⭐⭐#
3.1 大白话:空调的温控#
空调设定 26 ℃。如果"高于 26 ℃ 开机、低于 26 ℃ 停机",温度在 26 ℃ 附近一抖,压缩机就疯狂启停。实际的做法是:升到 27 ℃ 才开,降到 25 ℃ 才停 ——两个门限,中间留一段"缓冲"。这段缓冲就是回差 。
3.2 电路组成(反相输入滞回比较器)#
在反相输入单门限比较器的基础上,从输出端经电阻接回同相端 ,引入正反馈 :
v I v_I v I 接反相端;
同相端经R 2 R_2 R 2 接V R E F V_{REF} V R E F (或地),经R 1 R_1 R 1 接输出v O v_O v O 。(本讲沿用教材的标号:R 1 R_1 R 1 接输出、R 2 R_2 R 2 接参考 。)
反相输入滞回比较器电路与其传输特性回线,橙点沿回线循环移动表示输入增大和减小时的不同翻转点
− +
v I
R 3 v O
D Z
R 1 20kΩ
R 2 10kΩ
V REF = 0,稳压管 V Z = 6 V
R1 引入正反馈
v I /V v O /V
V T +=2 V T −=−2
+6 −6
图 1:反相输入滞回比较器(V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 ,稳压管限幅 ±6 V)及其传输特性;橙点沿回线运动:输入增大时在V T + V_{T+} V T + 翻转,输入减小时在V T − V_{T-} V T − 翻转(动画循环播放)
为什么有两个门限? 同相端电压v P v_P v P 由V R E F V_{REF} V R E F 和v O v_O v O 共同决定,而v O v_O v O 有两个值,所以v P v_P v P (也就是翻转点)有两个值。输出在高电平时,翻转点高;输出在低电平时,翻转点低。
3.3 门限电压#
叠加原理:
v P = R 1 R 1 + R 2 V R E F + R 2 R 1 + R 2 v O v_P=\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF}+\frac{R_2}{R_1+R_2}v_O v P = R 1 + R 2 R 1 V R E F + R 1 + R 2 R 2 v O
翻转时v I = v N = v P v_I=v_N=v_P v I = v N = v P ,所以门限就是此刻的v P v_P v P 。把v O = V O H v_O=V_{OH} v O = V O H 、V O L V_{OL} V O L 分别代入:
V T + = R 1 V R E F R 1 + R 2 + R 2 V O H R 1 + R 2 , V T − = R 1 V R E F R 1 + R 2 + R 2 V O L R 1 + R 2 V_{T+}=\frac{R_1V_{REF}}{R_1+R_2}+\frac{R_2V_{OH}}{R_1+R_2},\qquad V_{T-}=\frac{R_1V_{REF}}{R_1+R_2}+\frac{R_2V_{OL}}{R_1+R_2} V T + = R 1 + R 2 R 1 V R E F + R 1 + R 2 R 2 V O H , V T − = R 1 + R 2 R 1 V R E F + R 1 + R 2 R 2 V O L
回差 (门限宽度):
Δ V T = V T + − V T − = R 2 ( V O H − V O L ) R 1 + R 2 \Delta V_T=V_{T+}-V_{T-}=\frac{R_2(V_{OH}-V_{OL})}{R_1+R_2} Δ V T = V T + − V T − = R 1 + R 2 R 2 ( V O H − V O L )
逐项拆解 :
V T + V_{T+} V T + :读作"V T 正",上门限 ,输入增大 时的翻转点(此时输出原来是高电平);
V T − V_{T-} V T − :下门限 ,输入减小 时的翻转点;
Δ V T \Delta V_T Δ V T :回差,只与R 1 R_1 R 1 、R 2 R_2 R 2 和输出幅度有关,与V R E F V_{REF} V R E F 无关 ;
回线的中心 在R 1 R 1 + R 2 V R E F \frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF} R 1 + R 2 R 1 V R E F ,改V R E F V_{REF} V R E F 只让回线左右平移,不改变宽度。
核对教材数据 :教材图 10.8.5 中R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω 、R 2 = 100 Ω R_2=100\,\Omega R 2 = 100 Ω 、V R E F = 1 V V_{REF}=1\,\text{V} V R E F = 1 V 、V O H = − V O L = 5 V V_{OH}=-V_{OL}=5\,\text{V} V O H = − V O L = 5 V ,算得V T + ≈ 1.04 V V_{T+}\approx1.04\,\text{V} V T + ≈ 1.04 V 、V T − ≈ 0.94 V V_{T-}\approx0.94\,\text{V} V T − ≈ 0.94 V 、Δ V T ≈ 0.1 V \Delta V_T\approx0.1\,\text{V} Δ V T ≈ 0.1 V ,与教材一致。
3.4 传输特性怎么走(必须会讲)#
从v I v_I v I 很负、v O = V O H v_O=V_{OH} v O = V O H 开始:
v I v_I v I 增大,只要还没到V T + V_{T+} V T + ,v O v_O v O 保持V O H V_{OH} V O H ;
v I v_I v I 刚超过V T + V_{T+} V T + ,v O v_O v O 跳到V O L V_{OL} V O L ;同时v P v_P v P 跳到V T − V_{T-} V T − ——正反馈使跳变"一锤定音",干扰再抖也回不去;
v I v_I v I 继续增大,v O v_O v O 保持V O L V_{OL} V O L ;
v I v_I v I 减小,要一直减到V T − V_{T-} V T − 以下 ,v O v_O v O 才跳回V O H V_{OH} V O H 。
画在图上就是一个矩形回线 ,箭头方向:上边从左往右走,在V T + V_{T+} V T + 向下跳;下边从右往左走,在V T − V_{T-} V T − 向上跳(反相输入)。
3.5 例题 3:反相滞回比较器全套#
题 :图 1 电路,R 1 = 20 k Ω R_1=20\,\text{k}\Omega R 1 = 20 k Ω (接输出),R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω (接地),V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 ,输出限幅± 6 V \pm6\,\text{V} ± 6 V 。(1) 求门限和回差;(2) 画传输特性;(3) 输入v I = 5 sin ω t V v_I=5\sin\omega t\,\text{V} v I = 5 sin ω t V ,画输出波形。
解 :
(1) V T + = 10 30 × 6 = 2 V V_{T+}=\frac{10}{30}\times6=2\,\text{V} V T + = 30 10 × 6 = 2 V ,V T − = 10 30 × ( − 6 ) = − 2 V V_{T-}=\frac{10}{30}\times(-6)=-2\,\text{V} V T − = 30 10 × ( − 6 ) = − 2 V ,Δ V T = 4 V \Delta V_T=4\,\text{V} Δ V T = 4 V 。
(2) 见图 1 右:v I < − 2 V v_I<-2\,\text{V} v I < − 2 V 一定输出+ 6 V +6\,\text{V} + 6 V ;v I > 2 V v_I>2\,\text{V} v I > 2 V 一定输出− 6 V -6\,\text{V} − 6 V ;− 2 ∼ 2 V -2\sim2\,\text{V} − 2 ∼ 2 V 之间输出取决于"之前的状态"(这叫记忆性 )。
(3) t = 0 t=0 t = 0 时v I = 0 v_I=0 v I = 0 ,设v O = + 6 V v_O=+6\,\text{V} v O = + 6 V (门限为V T + = 2 V V_{T+}=2\,\text{V} V T + = 2 V )。v I v_I v I 上升到 2 V(sin ω t = 0.4 \sin\omega t=0.4 sin ω t = 0.4 ,ω t ≈ 23.6 ∘ \omega t\approx23.6^\circ ω t ≈ 23. 6 ∘ )时v O v_O v O 跳到− 6 V -6\,\text{V} − 6 V ;之后v I v_I v I 先到 5 V 再回落,直到降到− 2 V -2\,\text{V} − 2 V (ω t ≈ 180 ∘ + 23.6 ∘ \omega t\approx180^\circ+23.6^\circ ω t ≈ 18 0 ∘ + 23. 6 ∘ )时才跳回+ 6 V +6\,\text{V} + 6 V 。输出是与输入反相 、频率相同的方波,跳变点比过零点滞后约23.6 ∘ 23.6^\circ 23. 6 ∘ 。
3.6 例题 4:加参考电压,回线平移#
题 :上题中V R E F V_{REF} V R E F 改为+ 3 V +3\,\text{V} + 3 V ,其余不变。
解 :
V T + = 20 × 3 + 10 × 6 30 = 4 V , V T − = 20 × 3 − 10 × 6 30 = 0 V V_{T+}=\frac{20\times3+10\times6}{30}=4\,\text{V},\qquad V_{T-}=\frac{20\times3-10\times6}{30}=0\,\text{V} V T + = 30 20 × 3 + 10 × 6 = 4 V , V T − = 30 20 × 3 − 10 × 6 = 0 V
回差仍为 4 V,中心从 0 移到20 30 × 3 = 2 V \frac{20}{30}\times3=2\,\text{V} 30 20 × 3 = 2 V 。
3.7 同相输入滞回比较器#
把v I v_I v I 改接到同相端(经电阻R 2 R_2 R 2 ),反相端接地(或接V R E F V_{REF} V R E F ),R 1 R_1 R 1 仍从输出接回同相端。
求门限 (V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 ):
v P = R 1 R 1 + R 2 v I + R 2 R 1 + R 2 v O = 0 ⇒ v I = − R 2 R 1 v O v_P=\frac{R_1}{R_1+R_2}v_I+\frac{R_2}{R_1+R_2}v_O=0\ \Rightarrow\ v_I=-\frac{R_2}{R_1}v_O v P = R 1 + R 2 R 1 v I + R 1 + R 2 R 2 v O = 0 ⇒ v I = − R 1 R 2 v O
v O = V O L = − V Z v_O=V_{OL}=-V_Z v O = V O L = − V Z 时得V T + = R 2 R 1 V Z V_{T+}=\frac{R_2}{R_1}V_Z V T + = R 1 R 2 V Z ;v O = V O H = + V Z v_O=V_{OH}=+V_Z v O = V O H = + V Z 时得V T − = − R 2 R 1 V Z V_{T-}=-\frac{R_2}{R_1}V_Z V T − = − R 1 R 2 V Z 。
注意它和反相型的两点区别 :
系数是R 2 R 1 \frac{R_2}{R_1} R 1 R 2 ,不是R 2 R 1 + R 2 \frac{R_2}{R_1+R_2} R 1 + R 2 R 2 ——因为门限是对v I v_I v I 说的,而v I v_I v I 要经过分压才到同相端;
跳变方向相反:v I v_I v I 增大到V T + V_{T+} V T + 时,v O v_O v O 由低跳高 。回线箭头:下边从左往右走,在V T + V_{T+} V T + 向上跳;上边从右往左走,在V T − V_{T-} V T − 向下跳。
例题 5 :R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω (输入电阻),R 1 = 30 k Ω R_1=30\,\text{k}\Omega R 1 = 30 k Ω (反馈),V Z = 6 V V_Z=6\,\text{V} V Z = 6 V 。V T ± = ± 10 30 × 6 = ± 2 V V_{T\pm}=\pm\frac{10}{30}\times6=\pm2\,\text{V} V T ± = ± 30 10 × 6 = ± 2 V 。
变式 :反相端改接V R E F = 1 V V_{REF}=1\,\text{V} V R E F = 1 V 。令v P = 1 v_P=1 v P = 1 :30 v I + 10 v O 40 = 1 ⇒ v I = 40 − 10 v O 30 \frac{30v_I+10v_O}{40}=1\Rightarrow v_I=\frac{40-10v_O}{30} 40 30 v I + 10 v O = 1 ⇒ v I = 30 40 − 10 v O ,v O = − 6 v_O=-6 v O = − 6 时V T + ≈ 3.33 V V_{T+}\approx3.33\,\text{V} V T + ≈ 3.33 V ,v O = + 6 v_O=+6 v O = + 6 时V T − ≈ − 0.67 V V_{T-}\approx-0.67\,\text{V} V T − ≈ − 0.67 V 。回差 4 V 不变,中心变为R 1 + R 2 R 1 V R E F ≈ 1.33 V \frac{R_1+R_2}{R_1}V_{REF}\approx1.33\,\text{V} R 1 R 1 + R 2 V R E F ≈ 1.33 V 。
3.8 滞回比较器为什么抗干扰#
只要干扰的峰峰值小于回差Δ V T \Delta V_T Δ V T ,输出翻转后,干扰就不能让输入"回到"另一个门限,输出不会来回跳。
含干扰的输入分别送入过零比较器和滞回比较器的输出对比
±2 V
输入 v I (1 kHz 正弦叠加高频干扰)
过零比较器输出:在 0 附近反复乱跳
滞回比较器(V T ± = ±2 V,反相)输出:干净的方波
t / ms(共 2 ms)
图 2:用 Python 按比较规则逐点计算的结果:同一个带干扰的输入(第一行),过零比较器在 2 ms 内翻转了 21 次(第二行),回差 4 V 的滞回比较器只翻转 4 次,得到干净的方波(第三行)
代价:灵敏度下降——输入变化小于回差时,比较器"看不见"。所以回差要按干扰大小来选:比干扰大一些即可,不要太大。
3.9 滞回比较器答题模板 ⭐⭐⭐#
① 认电路 :v I v_I v I 接哪个端(决定跳变方向)?有没有从输出接回同相端 的电阻(正反馈 → 滞回)?
② 定输出电平 :V O H V_{OH} V O H 、V O L V_{OL} V O L (看稳压管限幅或电源)。
③ 写v P v_P v P 、v N v_N v N :叠加原理(虚断)。
④ 令v P = v N v_P=v_N v P = v N ,分别代v O = V O H v_O=V_{OH} v O = V O H 、V O L V_{OL} V O L ,解出两个v I v_I v I ,大的是V T + V_{T+} V T + 、小的是V T − V_{T-} V T − ;算Δ V T \Delta V_T Δ V T 。
⑤ 画传输特性 :矩形回线,标出四个数(V O H V_{OH} V O H 、V O L V_{OL} V O L 、V T + V_{T+} V T + 、V T − V_{T-} V T − )和箭头方向。
⑥ 画波形 (若要求):在输入波形上画两条水平线V T + V_{T+} V T + 、V T − V_{T-} V T − ,按"上升穿过V T + V_{T+} V T + 、下降穿过V T − V_{T-} V T − 才翻转"逐段画输出。
四、窗口比较器 ⭐⭐#
4.1 大白话#
有时要判断"输入是否在一个范围内",比如电池电压在 3.0~4.2 V 之间算正常,过低或过高都报警。一个门限做不到,需要两个——上限和下限,中间是"窗口"。
4.2 教材电路:LM339 双限比较器#
由两个集电极开路比较器组成的窗口比较器电路与传输特性
− +
− +
V REF1
V REF2
v I
v O
R +V CC
LM339 集电极开路,输出"线与"
V REF1 V REF2
V OH v I v O
只有 VREF1 与 VREF2 之间输出高电平
图 3:两个集电极开路比较器(LM339 的两个单元)组成的窗口比较器及其传输特性
比较器 1:v I v_I v I 接同相端,V R E F 1 V_{REF1} V R E F 1 接反相端 → v I > V R E F 1 v_I>V_{REF1} v I > V R E F 1 时输出"高"(开路);
比较器 2:v I v_I v I 接反相端,V R E F 2 V_{REF2} V R E F 2 接同相端 → v I < V R E F 2 v_I<V_{REF2} v I < V R E F 2 时输出"高";
LM339 是集电极开路 输出,两个输出可以直接连在一起,共用一个上拉电阻 R 到+ V C C +V_{CC} + V C C :只要有一个输出管导通,总输出就是低——"线与 "。
所以只有两个条件同时满足,即
V R E F 1 < v I < V R E F 2 V_{REF1}<v_I<V_{REF2} V R E F 1 < v I < V R E F 2
时输出高电平V O H V_{OH} V O H ,否则为低电平V O L V_{OL} V O L (要求V R E F 2 > V R E F 1 V_{REF2}>V_{REF1} V R E F 2 > V R E F 1 )。
例题 6 :V R E F 1 = 2 V V_{REF1}=2\,\text{V} V R E F 1 = 2 V ,V R E F 2 = 5 V V_{REF2}=5\,\text{V} V R E F 2 = 5 V 。v I = 1 V v_I=1\,\text{V} v I = 1 V → 低;v I = 3 V v_I=3\,\text{V} v I = 3 V → 高;v I = 6 V v_I=6\,\text{V} v I = 6 V → 低。
另一种常见接法:用两个普通运放比较器,输出各经一个二极管接到公共负载电阻上("或"的关系),则v I v_I v I 在窗口外 时输出高、窗口内 时输出低。考试时看清电路,按"每个比较器何时输出高 + 输出怎么合并"来分析即可。
五、集成电压比较器 ⭐(了解即可)#
专用比较器开环增益、精度不如运放,但响应速度快 (不需要频率补偿),输出可直接与 TTL/CMOS 数字电路接口。
衡量指标:灵敏度 (输出从 10% 变到 90% 所需的输入变化,越小越灵敏)和响应时间 (输入阶跃到输出跳变的时间)。
输出形式:普通、集电极(漏极)开路、互补输出。集电极开路型(如 LM339,一片四个比较器)必须外接上拉电阻 ,可以"线与"。
教材列举的高速型号(AD790、LT1016 等)不必记忆。
速记卡#
项目
要点
工作状态
开环或正反馈,非线性区;输出只有V O H V_{OH} V O H 、V O L V_{OL} V O L
虚短/虚断
虚断成立;虚短不成立,v P = v N v_P=v_N v P = v N 只是翻转条件
求门限
写v P v_P v P 、v N v_N v N (叠加),令相等,解v I v_I v I
三要素
高低电平、门限电压、跳变方向(v I v_I v I 接同相端:增大时低→高)
单门限
一个V T V_T V T ;过零比较器V T = 0 V_T=0 V T = 0 ;改变V R E F V_{REF} V R E F 可做脉宽调制;怕干扰
反相滞回
V T ± = R 1 V R E F + R 2 V O H / O L R 1 + R 2 V_{T\pm}=\frac{R_1V_{REF}+R_2V_{OH/OL}}{R_1+R_2} V T ± = R 1 + R 2 R 1 V R E F + R 2 V O H / O L (R 1 R_1 R 1 接输出,R 2 R_2 R 2 接参考)
回差
Δ V T = R 2 ( V O H − V O L ) R 1 + R 2 \Delta V_T=\frac{R_2(V_{OH}-V_{OL})}{R_1+R_2} Δ V T = R 1 + R 2 R 2 ( V O H − V O L ) ,与V R E F V_{REF} V R E F 无关;V R E F V_{REF} V R E F 只平移回线
同相滞回(V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 )
V T ± = ± R 2 R 1 V Z V_{T\pm}=\pm\frac{R_2}{R_1}V_Z V T ± = ± R 1 R 2 V Z (R 2 R_2 R 2 输入电阻,R 1 R_1 R 1 反馈电阻)
抗干扰
干扰峰峰值 < Δ V T \Delta V_T Δ V T 就不会乱跳;代价是灵敏度下降
窗口比较器
LM339 线与:V R E F 1 < v I < V R E F 2 V_{REF1}<v_I<V_{REF2} V R E F 1 < v I < V R E F 2 时输出高
限幅
输出接电阻 + 双向稳压管,v O = ± V Z v_O=\pm V_Z v O = ± V Z (或± ( V Z + V D ) \pm(V_Z+V_D) ± ( V Z + V D ) )
自测练习#
1. (基础)比较器中的运放通常工作在什么状态?虚短、虚断还成立吗?
答案与提示
开环或正反馈状态,工作在非线性区,输出只有高、低两种电平。虚断仍成立;虚短不成立,v P = v N v_P=v_N v P = v N 只在输出翻转的瞬间成立,用来求门限电压。
2. (基础)单门限比较器:v I v_I v I 经R 1 = 5 k Ω R_1=5\,\text{k}\Omega R 1 = 5 k Ω 、V R E F = 1.5 V V_{REF}=1.5\,\text{V} V R E F = 1.5 V 经R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω 共同接同相端,反相端接地。求门限电压。
答案与提示
v P = R 2 R 1 + R 2 v I + R 1 R 1 + R 2 V R E F = 0 ⇒ V T = − R 1 R 2 V R E F = − 5 10 × 1.5 = − 0.75 V v_P=\frac{R_2}{R_1+R_2}v_I+\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF}=0\Rightarrow V_T=-\frac{R_1}{R_2}V_{REF}=-\frac{5}{10}\times1.5=-0.75\,\text{V} v P = R 1 + R 2 R 2 v I + R 1 + R 2 R 1 V R E F = 0 ⇒ V T = − R 2 R 1 V R E F = − 10 5 × 1.5 = − 0.75 V 。(验证:v I = − 0.75 v_I=-0.75 v I = − 0.75 时v P = 10 × ( − 0.75 ) + 5 × 1.5 15 = 0 v_P=\frac{10\times(-0.75)+5\times1.5}{15}=0 v P = 15 10 × ( − 0.75 ) + 5 × 1.5 = 0 ✓。)v I > − 0.75 V v_I>-0.75\,\text{V} v I > − 0.75 V 时输出高电平。
3. (基础)反相滞回比较器,R 1 = 50 k Ω R_1=50\,\text{k}\Omega R 1 = 50 k Ω (接输出),R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω (接地),输出± 5 V \pm5\,\text{V} ± 5 V 。求V T + V_{T+} V T + 、V T − V_{T-} V T − 、Δ V T \Delta V_T Δ V T 。
答案与提示
V T ± = ± 10 60 × 5 ≈ ± 0.83 V V_{T\pm}=\pm\frac{10}{60}\times5\approx\pm0.83\,\text{V} V T ± = ± 60 10 × 5 ≈ ± 0.83 V ,Δ V T ≈ 1.67 V \Delta V_T\approx1.67\,\text{V} Δ V T ≈ 1.67 V 。
4. (中等·设计)用反相滞回比较器(V R E F = 0 V_{REF}=0 V R E F = 0 ),输出± 6 V \pm6\,\text{V} ± 6 V ,要求回差 1 V。若R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω ,R 1 R_1 R 1 取多少?
答案与提示
Δ V T = R 2 × 12 R 1 + R 2 = 1 ⇒ R 2 R 1 + R 2 = 1 12 \Delta V_T=\frac{R_2\times12}{R_1+R_2}=1\Rightarrow\frac{R_2}{R_1+R_2}=\frac1{12} Δ V T = R 1 + R 2 R 2 × 12 = 1 ⇒ R 1 + R 2 R 2 = 12 1 ,R 1 = 11 R 2 = 110 k Ω R_1=11R_2=110\,\text{k}\Omega R 1 = 11 R 2 = 110 k Ω 。此时V T ± = ± 0.5 V V_{T\pm}=\pm0.5\,\text{V} V T ± = ± 0.5 V 。
5. (中等)同相输入滞回比较器,输入电阻R 2 = 5.1 k Ω R_2=5.1\,\text{k}\Omega R 2 = 5.1 k Ω ,反馈电阻R 1 = 51 k Ω R_1=51\,\text{k}\Omega R 1 = 51 k Ω ,反相端接地,输出± 8 V \pm8\,\text{V} ± 8 V 。求门限,并说明v I v_I v I 从 −5 V 增大到 +5 V 时输出如何变化。
答案与提示
V T ± = ± R 2 R 1 V Z = ± 5.1 51 × 8 = ± 0.8 V V_{T\pm}=\pm\frac{R_2}{R_1}V_Z=\pm\frac{5.1}{51}\times8=\pm0.8\,\text{V} V T ± = ± R 1 R 2 V Z = ± 51 5.1 × 8 = ± 0.8 V 。v I = − 5 V v_I=-5\,\text{V} v I = − 5 V 时输出− 8 V -8\,\text{V} − 8 V ;增大到+ 0.8 V +0.8\,\text{V} + 0.8 V 时由− 8 V -8\,\text{V} − 8 V 跳到+ 8 V +8\,\text{V} + 8 V ,之后保持。
6. (中等)教材复习思考题 10.8.4 改编:分别选用哪种比较器?(1) v I > 0 v_I>0 v I > 0 时v O v_O v O 为低,v I < 0 v_I<0 v I < 0 时为高;(2) v I v_I v I 由负向正变化,经过 +3 V 时输出由高变低,由正向负变化经过 +1 V 时由低变高;(3) 峰值 6 V 的三角波输入,要求输出高电平只占周期的 25%。
答案与提示
(1) 反相输入的过零比较器。(2) 反相输入滞回比较器,V T + = 3 V V_{T+}=3\,\text{V} V T + = 3 V 、V T − = 1 V V_{T-}=1\,\text{V} V T − = 1 V (回差 2 V,中心 2 V,需加参考电压)。(3) 同相输入单门限比较器,6 − V R E F 12 = 25 % ⇒ V R E F = 3 V \frac{6-V_{REF}}{12}=25\%\Rightarrow V_{REF}=3\,\text{V} 12 6 − V R E F = 25% ⇒ V R E F = 3 V 。
7. (华师风格·综合)反相滞回比较器R 1 = 20 k Ω R_1=20\,\text{k}\Omega R 1 = 20 k Ω 、R 2 = 10 k Ω R_2=10\,\text{k}\Omega R 2 = 10 k Ω 、V R E F = + 3 V V_{REF}=+3\,\text{V} V R E F = + 3 V ,输出± 6 V \pm6\,\text{V} ± 6 V 。(1) 求门限电压和回差;(2) 画传输特性;(3) 若v I v_I v I 是幅值 6 V 的三角波,画出输出波形并说明输出高电平所占的比例;(4) 若输入叠加了峰峰值 1 V 的干扰,输出会不会乱跳?
答案与提示
(1) V T + = 20 × 3 + 10 × 6 30 = 4 V V_{T+}=\frac{20\times3+10\times6}{30}=4\,\text{V} V T + = 30 20 × 3 + 10 × 6 = 4 V ,V T − = 60 − 60 30 = 0 V V_{T-}=\frac{60-60}{30}=0\,\text{V} V T − = 30 60 − 60 = 0 V ,Δ V T = 4 V \Delta V_T=4\,\text{V} Δ V T = 4 V 。
(2) 矩形回线:v I v_I v I 增大到 4 V 时由 +6 V 跳到 −6 V;减小到 0 V 时由 −6 V 跳回 +6 V。
(3) 三角波上升段从 0 升到 4 V 之间、以及之前的整个低于 0 的阶段输出为高:输出在下降段穿过 0 V 时变高,在上升段穿过 4 V 时变低。三角波从 0 下降到 −6 V 再升到 4 V,所经历的电压变化为 6+10=16 V,占一个周期总变化 24 V 的16 24 ≈ 66.7 % \frac{16}{24}\approx66.7\% 24 16 ≈ 66.7% ,即高电平约占 2/3。
(4) 不会。干扰峰峰值 1 V 小于回差 4 V。
下一讲预告#
第 16 讲(下)给滞回比较器加上 RC 充放电或积分器,就能"自己翻转":方波、三角波、锯齿波发生电路,以及周期公式怎么推。
👉 点击进入下一讲:第16讲(下)|非正弦波发生电路:方波、三角波、锯齿波
评论
还没有评论。 来写第一条。