对电压比较器进行分析

知识储备

1.集成运放非线性应用的特性

当集成运放工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运放的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运放就一定工作在非线性区。其特点如下。

（1）输出电压只有两种状态，不是正饱和电压+Uom，就是负饱和电压-Uom。

当同相端电压大于反相端电压，即u+＞u-时，uo=+Uom。

当反相端电压大于同相端电压，即u+＜u-时，uo=-Uom。

（2）由于集成运放的输入电阻rid→∞，工作在非线性区的集成运放的净输入电流仍然近似为0，即i+=i-≈0，“虚断”的概念仍然成立。

综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，首先判断集成运放工作在线性区还是非线性区，再运用线性区和非线性区的特点分析电路的工作原理。

2.单门限电压比较器

电压比较器的基本功能是比较两个或多个模拟量的大小，并由输出端的高、低电平来表示比较结果。电压比较器是集成运放非线性应用的典型电路。其中较为简单的一种电压比较器为单门限电压比较器。

单门限电压比较器输入电压只有一个参考电压，输入电压变化（增大或减小）经过参考电压时，输出电压发生跃变。基本电路如图3.37（a）所示，集成运放处于开环状态时，工作在非线性区，输入电压ui加在反相输入端，参考电压UREF接在同相输入端，称为反相输入单门限电压比较器。当ui＞UREF时，即u- ＞u+ ，uo=-Uom；当ui＜UREF时，即u- ＜u+ ，uo=+Uom。传输特性如图3.37（b）所示。

当输入电压ui加在同相输入端时，参考电压接在UREF的反相输入端，如图3.37（c）所示，称为同相输入单门限电压比较器。其传输特性如图3.37（d）所示。

如果参考电压UREF=0，则输入电压过零时，输出电压发生跳变，这种比较器称为过零电压比较器，如图3.37（e）所示，其传输特性如图3.37（f）所示。

图3.37　单门限电压比较器

（a）反相输入单门限比较器；（b）反相输入单门限比较器传输特性；（c）同相输入单门限比较器； （d）同相输入单门限比较器传输特性；（e）过零比较器；（f）过零比较器传输特性

由上述分析可看出，输入电压ui的变化经过UREF时，输出电压发生翻转。因此，把比较器的输出状态发生跳变的时刻，所对应的输入电压值叫做比较器的阈值电压，简称阈值或门限电压，也可简称为门限。用UTH表示。

利用单门限电压比较器可以将任意波形的信号转换为矩形波，如可以将正弦波转换为周期性矩形波。

在实际应用时，为了与接在输出端的数字电路的电平配合，常在比较器的输出端与“地”之间接双向稳压管DZ，作双向限幅用。稳压管的稳定电压为UZ，输出电压uo被限制在+UZ和-UZ。电路及电压传输特性如图3.38所示。

图3.38　电路及电压传输特性

（a）带双向限幅的电压比较器电路；（b）双向限幅比较器电压传输特性

3.迟滞电压比较器

单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但抗干扰能力差。正弦波信号受到外界干扰，即在正弦波上叠加了高频干扰，过零比较器就容易出现多次误翻转。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞电压比较器。

迟滞电压比较器的基本电路如图3.39（a）所示，它是在单门限电压比较器的基础上增加了正反馈元件Rf和R2，运算放大器工作于非线性状态，因此它的输出只可能有两种状态，即正向饱和电压+Uom和反向饱和电压-Uom。由图3.39（a）可知，集成运放的同相端电压u+ 是由输出电压和参考电压共同作用叠加而成，因此集成运放的同相端电压u+ 也有两个。

图3.39　迟滞电压比较器基本电路

（a）迟滞电压比较器电路；（b）传输特性曲线

利用叠加定理可得

根据输出电压uo的不同值（+Uom或-Uom），可分别求出上门限电压UTH1和下门限电压UTH2分别为

和(www.xing528.com)

把上门限电压UTH1与下门限电压UTH2之差称为回差电压，用ΔUTH表示，即

当ui很小时，电路输出为正向饱和电压+Uom，同相端电压为UTH1。ui逐渐增加到接近UTH1前，uo一直保持+Uom不变。当ui增加到略大于UTH1，则uo由+Uom跳变到-Uom，同时使u+ 跳变到UTH2，ui再增加，uo保持反向饱和电压-Uom不变。

若ui减小，只要ui＞UTH2，则uo将始终保持-Uom不变，只有当ui＜UTH2时，uo才由-Uom跳变到+Uom。完整的传输特性曲线如图3.39（b）所示。

由此可见，只有输入电压超过上下门限电压时，输出电压才会改变极性，大大提高了电路的抗干扰能力。只要干扰信号的峰值小于半个回差电压，比较器就不会因为干扰而误动作。

自测习题

自测习题答案

1.填空

（1）电压比较器中集成运放工作在_____________区，条件是电路需引入_________反馈或______________。

（2）过零比较器输入正弦波输出_____________。

2.判断

（1）分析非线性集成运放电路时，不能应用的重要结论是“虚短”。（　　）

（2）迟滞比较器的抗干扰能力比单门限比较器差。（　　）

（3）过零比较器抗干扰能力强。（　　）

3.分析

（1）如题3（1）图中（a）所示，运算放大器的UOM=±12 V，双向稳压管的稳定电压Uz为6 V，参考电压UR为2 V，已知输入电压Ui的波形如题3（1）图（b）所示，试对应画出输出电压Uo的波形及电路的电压传输特性曲线。

题3（1）图

（2）在题3（2）（a）图所示电路中，运算放大器的UOM=±12 V，双向稳压管的稳定电压Uz为6 V，参考电压UREF为2 V，R1=30 kΩ，R2=10 kΩ，R3=2 kΩ，R4=10 kΩ，已知输入电压ui的波形如题3（2）（b）图所示，试对应画出输出电压uo的波形及电路的电压传输特性曲线。

题3（2）图