单门限电压比较器的设计与优化

如图9.4.1(a)所示的电路,参考电压UREF(比较量)接在反相输入端,输入信号ui(被比较量)经R1接在同向输入端(R1保证外围电路平衡)。由于集成运放处于开环状态,工作在非线性区,因此,当ui>UREF,即u+-u->UREF时,有uo=+Uom;当ui<UREF,即u+-u-<UREF时,有uo=-Uom。电压传输特性如图9.4.1(b)所示。

由电压传输特性可知,输入电压ui由小到大或由大到小的变化过程中,其值在经过UREF时,输出的电压发生跳变。将比较器输出状态跳变时对应的输入电压,称为门限电压(或阈值电压),用UTH表示。图9.4.1(a)电路的门限电压UTH=UREF。因电路只有一个门限电压,故称单门限电压比较器。

图9.4.1　同相单门限电压比较器

当输入电压ui在过零时,输出的电压发生跳变,则称为过零电压比较器。过零电压比较器的门限电压UTH=0。

为了适应更多的输出需要,同时保护集成运放的输出端,通常在过零电压比较器的输出端接入两只背靠背的稳压二极管限幅,如图9.4.2所示,此时输出电压uo=±UZ。电路中的R3为稳压二极管限流电阻。该电路可将正弦波变换为uo=±UZ的方波,输入、输出波形如图9.4.2(c)所示。

需要说明的是,单门限电压比较器根据需要也可采用同相输入方式,门限电压可根据电路要求任意设置。

由上述可知,在电压比较器中输入模拟信号(正弦波),可输出数字信号(矩形波),电路实现了从模拟信号到数字信号的变换。因此,可认为比较器是模拟电路和数字电路的“接口”。

图9.4.2　带限幅的过零电压比较器及应用

【例9.4.1】　电路及元件参数如图9.4.3所示。输入电压为ui=0.5 sinωt V,UZ=±6 V。

(1)试问集成运放A1、A2各组成何种电路?(www.xing528.com)

(2)分别画出uo1和uo的波形,并标出幅值。

图9.4.3　例9.4.1的图

解　(1)集成运放A1组成反相比例运算电路,运算放大器A2组成同相输入过零电压比较器。

(2)uo1和uo的波形如图9.4.4所示。

图9.4.4　例9.4.1的波形图

A1放大,Au==-20,则

A2同相比较,当uo1>0时,uo=UZ=6 V;当uo1<0时,uo=-UZ=-6 V。

由上述分析可知,如图9.4.3所示的电路实现了输入信号的放大和波形变换功能。