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原创 【转】电压比较器原理

2013-10-22 21:09 1059 0 分类: 工程师职场

电压比较器简称比较器,其基本功能是对两个输入电压进行比较,并根据比较结果输出高电平或低电平电压,据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换,模数转换以及越限报警等许多场合。
电压比较器通常由集成运放构成,与普通运放电路不同的是,比较 器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号,运放就会进入非线性区,属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时,虚断路原则仍成立,虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。 

下面分别介绍几个种类电压比较器作用。
一、零电平比较器(过 零比较器)

电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。
参考电压为零的比较器称为零 电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器,如图1(a)(b)所示

20131022210024903001.jpg
                     
1 过零比较器 
                  (a)
反相输入;(b)同相输入

通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。
阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电 压发生跳变时的输入电压值,简称为阈值,用符号UTH表示。

估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件 是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零),即U+=U–。对于图1(a)电路,U–=Ui, U+=0, UTH=0

传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。

画传输特性的一 般步骤是:先求阈值,再根据电压比较器的具体电路,分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)和输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下,输出电压的变化规律,然后画出传输特性。

二、任意电平比较器(俘零比较器)

将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设 为直流电压),由于UR的大小和极性均可调整,电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。

20131022210029295002.jpg
                 
2 任意电平比较器及传输特性
                  (a)
任意电平比较器;(b)传输特性

20131022210035353003.jpg

                     
3 电平检测比较器信传输特性
                      (a)
电平检测比较器;(b)传输特性

电平电压比较器结构简单,灵敏度高,但它的抗干扰能力差。也就是说,如果输入信号因干扰在阈值附近变化时,输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变,可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力,下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较 器。

三、滞回电压比较器
滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时,它 有两个阈值,且不相等,其传输特性具有滞回曲线的形状。838电子

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。

UR
是某一固定电压,改变UR值能改变阈值及回差大小。
以图 4(a)所示的反相滞回比较器为例,计算阈值并画出传输特性


20131022210043250004.jpg
                       
4 滞回比较器及其传输特性
                          (a)
反相输入;(b)同相输入

1
,正向过程

正向过程的阈值为

20131022210048753005.jpg

形成电压传输特性的abcd

2
,负向过程

负向过程的阈值为

20131022210055169006.jpg
形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似,故称之为滞回电压比较器。
利用求阈值的临界 条件和叠加原理方法,不难计算出图4(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值
20131022210101239007.jpg
两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。
由上分析可知,改变R2值可改变回差大小,调 整UR可改变UTH1UTH2,但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移,滞回曲线宽度不变。
20131022210107302008.jpg
      
5 比较器的波形变换
      (a)
输入波形;(b)输出波形

例 如,滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图6(a)(b)所示。根据传输特性和两个阈值(UTH12V, UTH2=–2V),可画出输出电压uo的波形,如图6(c)所示。从图(c)可见,uiUTH1UTH2之间变化,不会引起uo的跳变。但回差也导 致了输出电压的滞后现象,使电平鉴别产生误差。

20131022210115345009.jpg

         
6 说明滞回比较器抗干扰能力强的图
            (a)
已知传输特性;(b)已知ui 波形;
            (c)
根据传输特性和ui波形画出的uo波形

四、窗口电 压比较器
电平比较器和滞回比较器有一个共同特点,即ui单方向变化(正向过程或负向过程)时,uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平,这种 比较器称为单限比较器。

双限比较器又称窗口比较器。它的特点是输入信号单方向变化(例如ui 从足够低单调升高到足够高),可使输出电压uo跳变两次,其传输特性

如图7(b)所示,它形似窗口,称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个 阈值和两种输出稳定状态可用来判断ui 是否在某两个电平之间。

20131022210121366010.jpg

       
7 窗口比较器电路及传输特性
        (a)
窗口比较器;(b)传输特性
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