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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

约 18 分钟 5799 字 华南师范大学模拟电子技术考研模电零基础讲义

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vP=vNv_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VTV_T⁠;过零比较器是VT=0V_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VT+V_{T+}⁠、VT−V_{T-}⁠,回差ΔVT\Delta 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VREF1∼VREF2V_{REF1}\sim V_{REF2}之间。
  • 万能方法:输出只有VOHV_{OH}⁠、VOLV_{OL}⁠;令vP=vNv_P=v_N解出的vIv_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vIv_I⁠:被比较的电压("载重");
  • 参考电压VREFV_{REF}⁠:比较的标准("1000 kg");
  • 输出vOv_O⁠:只有两种状态,高电平VOHV_{OH}或低电平VOLV_{OL}("绿灯/红灯")。

1.2 运放工作在非线性区

运放开环增益AodA_{od}极大(⁠10510^5以上)。没有负反馈时,输入端只要差一点点(比如 0.1 mV),Aod×0.1 mVA_{od}\times0.1\,\text{mV}就超过电源电压,输出只能"顶到头":

  • vP>vNv_P>v_N⁠:vO=VOHv_O=V_{OH}(正饱和,约+VCC+V_{CC}或被限幅电路钳位);
  • vP<vNv_P<v_N⁠:vO=VOLv_O=V_{OL}(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iP=iN=0i_P=i_N=0 成立 仍成立(输入电阻很大)
虚短vP=vNv_P=v_N 成立 不成立;vP=vNv_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,"vP=vNv_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vIv_I⁠,纵轴vOv_O⁠。教材总结它的三要素:

  1. 输出的高、低电平 VOHV_{OH}⁠、VOLV_{OL}⁠;
  2. 门限电压(阈值电压)VTV_T⁠:令vP=vNv_P=v_N求出的vIv_I⁠;
  3. 跳变方向:vIv_I从小到大经过门限时,vOv_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vIv_I接在哪个输入端:接同相端,vIv_I增大时vOv_O由低跳高;接反相端,vIv_I增大时vOv_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±VZ\pm 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±(VZ+VD)\pm(V_Z+V_D)⁠,VDV_D为另一只管子的正向压降;题目通常直接给"±VZ\pm V_Z"或说明忽略VDV_D⁠,按题意即可。


二、单门限电压比较器 ⭐⭐⭐

2.1 最基本的形式

vIv_I接同相端,VREFV_{REF}接反相端(教材图 10.8.1a):

vI>VREF ⇒ vO=VOH;vI<VREF ⇒ vO=VOLv_I>V_{REF}\ \Rightarrow\ v_O=V_{OH};\qquad v_I<V_{REF}\ \Rightarrow\ v_O=V_{OL}

门限VT=VREFV_T=V_{REF}⁠。若VREF=0V_{REF}=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,±VCC=±12 V\pm V_{CC}=\pm12\,\text{V}⁠,运放理想,vIv_I为峰值 6 V 的对称三角波。分别画出VREF=0V_{REF}=0⁠、+2 V+2\,\text{V}⁠、−4 V-4\,\text{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:vIv_I接同相端,vI>VREFv_I>V_{REF}时vO=+12 Vv_O=+12\,\text{V}⁠,否则−12 V-12\,\text{V}⁠。

三角波在−6∼+6 V-6\sim+6\,\text{V}之间匀速上下,vI>VREFv_I>V_{REF}的时间比例=6−VREF12=\frac{6-V_{REF}}{12}⁠:

VREFV_{REF} 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VREFV_{REF}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:vIv_I经R1R_1⁠、VREFV_{REF}经R2R_2共同接到同相端,反相端接地。

求门限的步骤:

  1. 用叠加原理写vPv_P(虚断,P 点不取电流):
vP=R2R1+R2vI+R1R1+R2VREFv_P=\frac{R_2}{R_1+R_2}v_I+\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF}
  1. 翻转时vP=vN=0v_P=v_N=0⁠:R2vI+R1VREF=0R_2v_I+R_1V_{REF}=0⁠;
  2. 解出门限:
VT=−R1R2VREFV_T=-\frac{R_1}{R_2}V_{REF}

⚠️ 注意:这里vIv_I的系数里是R2R_2(与vIv_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VT=−R2R1VREFV_T=-\frac{R_2}{R_1}V_{REF}⁠,对应的是教材图中R1R_1⁠、R2R_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vIv_I的电阻R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega⁠、接VREFV_{REF}的电阻R2=20 kΩR_2=20\,\text{k}\Omega⁠,VREF=−1 VV_{REF}=-1\,\text{V}⁠。求门限。

解:vP=2030vI+1030×(−1)v_P=\frac{20}{30}v_I+\frac{10}{30}\times(-1)⁠。令vP=0v_P=0⁠:20vI=1020v_I=10⁠,VT=0.5 VV_T=0.5\,\text{V}⁠。(套公式:VT=−R1R2VREF=−1020×(−1)=0.5 VV_T=-\frac{R_1}{R_2}V_{REF}=-\frac{10}{20}\times(-1)=0.5\,\text{V} ✓。)

验算习惯:把vI=VTv_I=V_T代回去,看vPv_P是否正好等于vNv_N⁠。叠加时两个系数最容易写反(⁠vIv_I的系数里是与vIv_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vIv_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vI≈VTv_I\approx V_T附近,干扰让vIv_I一会儿高于VTV_T⁠、一会儿低于VTV_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:

  • vIv_I接反相端;
  • 同相端经R2R_2接VREFV_{REF}(或地),经R1R_1接输出vOv_O⁠。(本讲沿用教材的标号:R1R_1接输出、R2R_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 −+ vI R3vO DZ R120kΩ R210kΩ VREF= 0,稳压管 VZ= 6 V R1 引入正反馈 vI/VvO/V VT+=2VT−=−2 +6−6

图 1:反相输入滞回比较器(⁠VREF=0V_{REF}=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VT+V_{T+}翻转,输入减小时在VT−V_{T-}翻转(动画循环播放)

为什么有两个门限? 同相端电压vPv_P由VREFV_{REF}和vOv_O共同决定,而vOv_O有两个值,所以vPv_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:

vP=R1R1+R2VREF+R2R1+R2vOv_P=\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF}+\frac{R_2}{R_1+R_2}v_O

翻转时vI=vN=vPv_I=v_N=v_P⁠,所以门限就是此刻的vPv_P⁠。把vO=VOHv_O=V_{OH}⁠、VOLV_{OL}分别代入:

VT+=R1VREFR1+R2+R2VOHR1+R2,VT−=R1VREFR1+R2+R2VOLR1+R2V_{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}

回差(门限宽度):

ΔVT=VT+−VT−=R2(VOH−VOL)R1+R2\Delta V_T=V_{T+}-V_{T-}=\frac{R_2(V_{OH}-V_{OL})}{R_1+R_2}

逐项拆解:

  • VT+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);
  • VT−V_{T-}⁠:下门限,输入减小时的翻转点;
  • ΔVT\Delta V_T⁠:回差,只与R1R_1⁠、R2R_2和输出幅度有关,与VREFV_{REF}无关;
  • 回线的中心在R1R1+R2VREF\frac{R_1}{R_1+R_2}V_{REF}⁠,改VREFV_{REF}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R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega⁠、R2=100 ΩR_2=100\,\Omega⁠、VREF=1 VV_{REF}=1\,\text{V}⁠、VOH=−VOL=5 VV_{OH}=-V_{OL}=5\,\text{V}⁠,算得VT+≈1.04 VV_{T+}\approx1.04\,\text{V}⁠、VT−≈0.94 VV_{T-}\approx0.94\,\text{V}⁠、ΔVT≈0.1 V\Delta V_T\approx0.1\,\text{V}⁠,与教材一致。

3.4 传输特性怎么走(必须会讲)

从vIv_I很负、vO=VOHv_O=V_{OH}开始:

  1. vIv_I增大,只要还没到VT+V_{T+}⁠,vOv_O保持VOHV_{OH}⁠;
  2. vIv_I刚超过VT+V_{T+}⁠,vOv_O跳到VOLV_{OL}⁠;同时vPv_P跳到VT−V_{T-}——正反馈使跳变"一锤定音",干扰再抖也回不去;
  3. vIv_I继续增大,vOv_O保持VOLV_{OL}⁠;
  4. vIv_I减小,要一直减到VT−V_{T-}以下,vOv_O才跳回VOHV_{OH}⁠。

画在图上就是一个矩形回线,箭头方向:上边从左往右走,在VT+V_{T+}向下跳;下边从右往左走,在VT−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,R1=20 kΩR_1=20\,\text{k}\Omega(接输出),R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega(接地),VREF=0V_{REF}=0⁠,输出限幅±6 V\pm6\,\text{V}⁠。(1) 求门限和回差;(2) 画传输特性;(3) 输入vI=5sin⁡ωt Vv_I=5\sin\omega t\,\text{V}⁠,画输出波形。

解:

(1) VT+=1030×6=2 VV_{T+}=\frac{10}{30}\times6=2\,\text{V}⁠,VT−=1030×(−6)=−2 VV_{T-}=\frac{10}{30}\times(-6)=-2\,\text{V}⁠,ΔVT=4 V\Delta V_T=4\,\text{V}⁠。

(2) 见图 1 右:vI<−2 Vv_I<-2\,\text{V}一定输出+6 V+6\,\text{V}⁠;vI>2 Vv_I>2\,\text{V}一定输出−6 V-6\,\text{V}⁠;−2∼2 V-2\sim2\,\text{V}之间输出取决于"之前的状态"(这叫记忆性)。

(3) t=0t=0时vI=0v_I=0⁠,设vO=+6 Vv_O=+6\,\text{V}(门限为VT+=2 VV_{T+}=2\,\text{V}⁠)。vIv_I上升到 2 V(⁠sin⁡ωt=0.4\sin\omega t=0.4⁠,ωt≈23.6∘\omega t\approx23.6^\circ⁠)时vOv_O跳到−6 V-6\,\text{V}⁠;之后vIv_I先到 5 V 再回落,直到降到−2 V-2\,\text{V}(⁠ωt≈180∘+23.6∘\omega t\approx180^\circ+23.6^\circ⁠)时才跳回+6 V+6\,\text{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。

3.6 例题 4:加参考电压,回线平移

题:上题中VREFV_{REF}改为+3 V+3\,\text{V}⁠,其余不变。

解:

VT+=20×3+10×630=4 V,VT−=20×3−10×630=0 VV_{T+}=\frac{20\times3+10\times6}{30}=4\,\text{V},\qquad V_{T-}=\frac{20\times3-10\times6}{30}=0\,\text{V}

回差仍为 4 V,中心从 0 移到2030×3=2 V\frac{20}{30}\times3=2\,\text{V}⁠。

3.7 同相输入滞回比较器

把vIv_I改接到同相端(经电阻R2R_2⁠),反相端接地(或接VREFV_{REF}⁠),R1R_1仍从输出接回同相端。

求门限(⁠VREF=0V_{REF}=0⁠):

vP=R1R1+R2vI+R2R1+R2vO=0 ⇒ vI=−R2R1vOv_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

vO=VOL=−VZv_O=V_{OL}=-V_Z时得VT+=R2R1VZV_{T+}=\frac{R_2}{R_1}V_Z⁠;vO=VOH=+VZv_O=V_{OH}=+V_Z时得VT−=−R2R1VZV_{T-}=-\frac{R_2}{R_1}V_Z⁠。

注意它和反相型的两点区别:

  1. 系数是R2R1\frac{R_2}{R_1}⁠,不是R2R1+R2\frac{R_2}{R_1+R_2}——因为门限是对vIv_I说的,而vIv_I要经过分压才到同相端;
  2. 跳变方向相反:vIv_I增大到VT+V_{T+}时,vOv_O 由低跳高。回线箭头:下边从左往右走,在VT+V_{T+}向上跳;上边从右往左走,在VT−V_{T-}向下跳。

例题 5:R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega(输入电阻),R1=30 kΩR_1=30\,\text{k}\Omega(反馈),VZ=6 VV_Z=6\,\text{V}⁠。VT±=±1030×6=±2 VV_{T\pm}=\pm\frac{10}{30}\times6=\pm2\,\text{V}⁠。

变式:反相端改接VREF=1 VV_{REF}=1\,\text{V}⁠。令vP=1v_P=1⁠:30vI+10vO40=1⇒vI=40−10vO30\frac{30v_I+10v_O}{40}=1\Rightarrow v_I=\frac{40-10v_O}{30}⁠,vO=−6v_O=-6时VT+≈3.33 VV_{T+}\approx3.33\,\text{V}⁠,vO=+6v_O=+6时VT−≈−0.67 VV_{T-}\approx-0.67\,\text{V}⁠。回差 4 V 不变,中心变为R1+R2R1VREF≈1.33 V\frac{R_1+R_2}{R_1}V_{REF}\approx1.33\,\text{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ΔVT\Delta 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 vI(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(VT± = ±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:vIv_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:VOHV_{OH}⁠、VOLV_{OL}(看稳压管限幅或电源)。 ③ 写vPv_P⁠、vNv_N:叠加原理(虚断)。 ④ 令vP=vNv_P=v_N,分别代vO=VOHv_O=V_{OH}⁠、VOLV_{OL}⁠,解出两个vIv_I⁠,大的是VT+V_{T+}⁠、小的是VT−V_{T-}⁠;算ΔVT\Delta V_T⁠。 ⑤ 画传输特性:矩形回线,标出四个数(⁠VOHV_{OH}⁠、VOLV_{OL}⁠、VT+V_{T+}⁠、VT−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VT+V_{T+}⁠、VT−V_{T-}⁠,按"上升穿过VT+V_{T+}⁠、下降穿过VT−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 −+ −+ VREF1 VREF2 vI vO R+VCC LM339 集电极开路,输出"线与" VREF1VREF2 VOHvIvO 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:vIv_I接同相端,VREF1V_{REF1}接反相端 → vI>VREF1v_I>V_{REF1}时输出"高"(开路);
  • 比较器 2:vIv_I接反相端,VREF2V_{REF2}接同相端 → vI<VREF2v_I<V_{REF2}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+VCC+V_{CC}⁠: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

VREF1<vI<VREF2V_{REF1}<v_I<V_{REF2}

时输出高电平VOHV_{OH}⁠,否则为低电平VOLV_{OL}(要求VREF2>VREF1V_{REF2}>V_{REF1}⁠)。

例题 6:VREF1=2 VV_{REF1}=2\,\text{V}⁠,VREF2=5 VV_{REF2}=5\,\text{V}⁠。vI=1 Vv_I=1\,\text{V} → 低;vI=3 Vv_I=3\,\text{V} → 高;vI=6 Vv_I=6\,\text{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vIv_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VOHV_{OH}⁠、VOLV_{OL}
虚短/虚断 虚断成立;虚短不成立,vP=vNv_P=v_N只是翻转条件
求门限 写vPv_P⁠、vNv_N(叠加),令相等,解vIv_I
三要素 高低电平、门限电压、跳变方向(⁠vIv_I接同相端:增大时低→高)
单门限 一个VTV_T⁠;过零比较器VT=0V_T=0⁠;改变VREFV_{REF}可做脉宽调制;怕干扰
反相滞回 VT±=R1VREF+R2VOH/OLR1+R2V_{T\pm}=\frac{R_1V_{REF}+R_2V_{OH/OL}}{R_1+R_2}(⁠R1R_1接输出,R2R_2接参考)
回差 ΔVT=R2(VOH−VOL)R1+R2\Delta V_T=\frac{R_2(V_{OH}-V_{OL})}{R_1+R_2}⁠,与VREFV_{REF}无关;VREFV_{REF}只平移回线
同相滞回(⁠VREF=0V_{REF}=0⁠) VT±=±R2R1VZV_{T\pm}=\pm\frac{R_2}{R_1}V_Z(⁠R2R_2输入电阻,R1R_1反馈电阻)
抗干扰 干扰峰峰值 < ΔVT\Delta V_T就不会乱跳;代价是灵敏度下降
窗口比较器 LM339 线与:VREF1<vI<VREF2V_{REF1}<v_I<V_{REF2}时输出高
限幅 输出接电阻 + 双向稳压管,vO=±VZv_O=\pm V_Z(或±(VZ+VD)\pm(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,vP=vNv_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:vIv_I经R1=5 kΩR_1=5\,\text{k}\Omega⁠、VREF=1.5 VV_{REF}=1.5\,\text{V}经R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega共同接同相端,反相端接地。求门限电压。

答案与提示

vP=R2R1+R2vI+R1R1+R2VREF=0⇒VT=−R1R2VREF=−510×1.5=−0.75 Vv_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}⁠。(验证:vI=−0.75v_I=-0.75时vP=10×(−0.75)+5×1.515=0v_P=\frac{10\times(-0.75)+5\times1.5}{15}=0 ✓。)vI>−0.75 Vv_I>-0.75\,\text{V}时输出高电平。

3.(基础)反相滞回比较器,R1=50 kΩR_1=50\,\text{k}\Omega(接输出),R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega(接地),输出±5 V\pm5\,\text{V}⁠。求VT+V_{T+}⁠、VT−V_{T-}⁠、ΔVT\Delta V_T⁠。

答案与提示

VT±=±1060×5≈±0.83 VV_{T\pm}=\pm\frac{10}{60}\times5\approx\pm0.83\,\text{V}⁠,ΔVT≈1.67 V\Delta V_T\approx1.67\,\text{V}⁠。

4.(中等·设计)用反相滞回比较器(⁠VREF=0V_{REF}=0⁠),输出±6 V\pm6\,\text{V}⁠,要求回差 1 V。若R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega⁠,R1R_1取多少?

答案与提示

ΔVT=R2×12R1+R2=1⇒R2R1+R2=112\Delta V_T=\frac{R_2\times12}{R_1+R_2}=1\Rightarrow\frac{R_2}{R_1+R_2}=\frac1{12}⁠,R1=11R2=110 kΩR_1=11R_2=110\,\text{k}\Omega⁠。此时VT±=±0.5 VV_{T\pm}=\pm0.5\,\text{V}⁠。

5.(中等)同相输入滞回比较器,输入电阻R2=5.1 kΩR_2=5.1\,\text{k}\Omega⁠,反馈电阻R1=51 kΩR_1=51\,\text{k}\Omega⁠,反相端接地,输出±8 V\pm8\,\text{V}⁠。求门限,并说明vIv_I从 −5 V 增大到 +5 V 时输出如何变化。

答案与提示

VT±=±R2R1VZ=±5.151×8=±0.8 VV_{T\pm}=\pm\frac{R_2}{R_1}V_Z=\pm\frac{5.1}{51}\times8=\pm0.8\,\text{V}⁠。vI=−5 Vv_I=-5\,\text{V}时输出−8 V-8\,\text{V}⁠;增大到+0.8 V+0.8\,\text{V}时由−8 V-8\,\text{V}跳到+8 V+8\,\text{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) vI>0v_I>0时vOv_O为低,vI<0v_I<0时为高;(2) vIv_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,VT+=3 VV_{T+}=3\,\text{V}⁠、VT−=1 VV_{T-}=1\,\text{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−VREF12=25%⇒VREF=3 V\frac{6-V_{REF}}{12}=25\%\Rightarrow V_{REF}=3\,\text{V}⁠。

7.(华师风格·综合)反相滞回比较器R1=20 kΩR_1=20\,\text{k}\Omega⁠、R2=10 kΩR_2=10\,\text{k}\Omega⁠、VREF=+3 VV_{REF}=+3\,\text{V}⁠,输出±6 V\pm6\,\text{V}⁠。(1) 求门限电压和回差;(2) 画传输特性;(3) 若vIv_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) VT+=20×3+10×630=4 VV_{T+}=\frac{20\times3+10\times6}{30}=4\,\text{V}⁠,VT−=60−6030=0 VV_{T-}=\frac{60-60}{30}=0\,\text{V}⁠,ΔVT=4 V\Delta V_T=4\,\text{V}⁠。 (2) 矩形回线:vIv_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1624≈66.7%\frac{16}{24}\approx66.7\%⁠,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

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