第八章電壓比較器

1、第八章第八章信號處理電路信號處理電路8.1有源濾波器有源濾波器8.2電壓比較器電壓比較器8.1有源濾波器有源濾波器8.1.1濾波電路的作用和分類濾波電路的作用和分類作用：選頻。作用：選頻。分類：分類： 低通濾波器、低通濾波器、f0fuAlg20O通通阻阻fuAlg20f0O通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2高通濾波器、高通濾波器、 帶通濾波器帶通濾波器和帶阻濾波器。和帶阻濾波器。圖圖 8.1.18.1.2低通濾波器低通濾波器( (LPF) )無源低通濾波器：無源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為電壓放大倍數(shù)為0ioj11ffUUAu RCf 210通帶截

2、止頻率通帶截止頻率由對數(shù)幅頻特性知，具有由對數(shù)幅頻特性知，具有“低通低通”的特性。的特性。電路缺點：電路缺點：電壓放大倍數(shù)低，只有，且?guī)ж撦d能力差。電壓放大倍數(shù)低，只有，且?guī)ж撦d能力差。解決辦法解決辦法：利用集成運放與：利用集成運放與 RC 電路組成有源濾波器。電路組成有源濾波器。圖圖 8.1.2一階低通有源濾波器：一階低通有源濾波器：0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)1Fp1RRAu 通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的通帶通帶截止頻率相同截止頻率相同；但；但通帶電壓放大倍

3、數(shù)得到提高通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。缺點：缺點：一階低通有源濾波器在一階低通有源濾波器在 f f 0 時，濾波特性不時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為 - -20 dB / 十倍頻。十倍頻。 解決辦法解決辦法：采用二階低通有源濾波器。：采用二階低通有源濾波器。圖圖 8.1.3二階低通有源濾波器：二階低通有源濾波器：輸入電壓經(jīng)過兩級輸入電壓經(jīng)過兩級 RC 低低通電路，在高頻段，對數(shù)幅頻通電路，在高頻段，對數(shù)幅頻特性以特性以 - -40 dB /十倍頻的速度十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于下降，使濾波特性比較接近于理想情況。理想情況。020p2ppio1j

4、)(1)j ()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu - - - - 1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ- - 圖圖 8.1.40.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff11020dB/十倍頻十倍頻40dB/十倍頻十倍頻一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：理想特性理想特性圖圖 8.1.5低通濾波器的幅頻特性低通濾波器的幅頻特性8.1.3高通濾波器高通濾波器( (HPF) )RCf 210其通帶截止頻率：其通帶截止頻率：無源高通濾波器如下圖所示。無源高通濾波器如下圖所示。圖圖 8.1.6無源高通濾波器無源高通濾波器ff

5、QffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j ()j3(1)j ( - - - - - 可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數(shù)幅頻特性互可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數(shù)幅頻特性互為為“鏡像鏡像”關(guān)系。關(guān)系。圖圖 8.1.7二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器( (a) )圖圖 8.1.7 ( (b) )8.1.4帶通濾波器帶通濾波器( (BPF) )只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。號阻斷。低通低通高通高通iUoUf2fuAlg20O低通低通fuAlg20f1O高通高通阻阻阻阻f2f1fuAlg20

6、O通通圖圖 8.1.8帶通濾波器的典型電路帶通濾波器的典型電路)(j1)( j)3(00p00ooffffQAffffAAAuuuu- - - - RCf 210ooop3uuuuQAAAA - - 1Fo1RRAu o31uAQ- - 中心頻率中心頻率通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)圖圖 8.1.98.1.5帶阻濾波器帶阻濾波器( (BEF) )在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。順利通過。低通低通高通高通iUoUf2f1fuAlg20O通阻通通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通圖圖 8.1.10

7、帶阻濾波器的典型電路帶阻濾波器的典型電路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA- - - - - RCf 2101Fp1RRAu )2(21p0uABfQ- - 中心頻率中心頻率通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)2201ffffQAAuu- - 0p1j圖圖 8.1.118.2電壓比較器電壓比較器電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。進行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)

8、或引入正反饋。環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。限比較器。8.2.1過零比較器過零比較器簡單的過零比較器簡單的過零比較器由于理想運放的開環(huán)差模由于理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以增益為無窮大，所以當當 uI 0 時，時，uO = - - UOPP ；過零比較器的傳輸特性為：過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 為集成運放的最大為集成運放的最大輸出電壓。輸出電壓。閾值電壓閾值電壓：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)椋寒敱容^器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。另

9、一種狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。圖圖 8.2.1利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ當當 uI 0 時，右邊的穩(wěn)壓管時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，被反向擊穿，uO = - - UZ ；圖圖 8.2.28.2.2單限比較器單限比較器單限比較器有一個門限單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等于此門電平，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。即發(fā)生跳變。REF21TU

10、RRuU- - - -當輸入電壓當輸入電壓 uI 變化，使反相變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR- -過零比較器是門限電平為零過零比較器是門限電平為零的單限比較器。的單限比較器。圖圖 8.2.4圖圖 8.2.5存在干擾時單限比較器的存在干擾時單限比較器的 uI、uO 波形波形單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號是否達到：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。某一給定電平。缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。解決辦法解決

11、辦法：采用具有滯：采用具有滯回傳輸特性的比較器?；貍鬏斕匦缘谋容^器。8.2.3滯回比較器滯回比較器UREF 為參考電壓；為參考電壓；輸出電壓輸出電壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ；uI 為輸入電壓。為輸入電壓。當當 u+ = u- - 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。OF22REFF2FuRRRURRRu 比較器有兩個不同的門限電平，比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +圖圖 8.2.6滯回比較器滯回比較器若若 uO= - - UZ ，當，當 uI 逐漸減小時，使逐漸減小時，使

12、uO 由由 - -UZ 跳跳變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT- - ZF22REFF2FTURRRURRRU - - - -回差回差( (門限寬度門限寬度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU - - - - 若若 uO = UZ ，當，當 uI 逐漸增大時，使逐漸增大時，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變?yōu)闉?- -UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT+ ZF22REFF2FTURRRURRRU 作用作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換。變換?？垢蓴_能力強抗干擾能力強。圖圖 8.2.78.2.4雙限比較器雙限

13、比較器參考電壓參考電壓 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，運放，運放 A1 輸出低電平，輸出低電平，A2 輸出高電平，二輸出高電平，二極管極管 VD1 截止，截止，VD2導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通，輸出電壓電壓 uO 為高電平；為高電平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，運放，運放 A1 輸出高電平，輸出高電平，A2 輸出低電輸出低電平，二極管平，二極管 VD2 截止，截止，VD1 導(dǎo)通，輸出電壓導(dǎo)通，輸出電壓 uO 為高電平；為高電平；圖圖 8.2.8雙限比較器雙限比較器( (a) )當當 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 時時 ，運放，運放 A1、 A2

14、均輸出均輸出低電平，二極管低電平，二極管 VD1 、VD2 均均截止，輸出電壓截止，輸出電壓 uO 為低電平；為低電平；上門限電平上門限電平 UTH = UREF1 ；下門限電平下門限電平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號綜上所述，雙限比較器在輸入信號 uI UREF1 時，輸出為高電平；而當時，輸出為高電平；而當 UREF2 uI UREF1 時，輸時，輸出為低電平。出為低電平。圖圖 8.2.8( (b) )8.2.5集成電壓比較器集成電壓比較器對集成電壓比較器的主要要求：對集成電壓比較器的主要要求：1. 具有較高的開環(huán)差模增益；具有較高的開環(huán)差模增益；2. 具有較快的響應(yīng)速度；具有較快的響應(yīng)速度；3. 具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；具有較高的共模抑