集成运放组成的电压比较器(运放非线性运用)

一. 比较器概述

1. 功能及应用：

主要用来判断输入信号电位之间的相对大小，它至少有两个输入端及一个输出端，通常用一个输入端接被比较信号U_i，另一个则接基准电压V_R决定门限电压(或称阀值)的U_T。输出通常仅且仅有二种可能即高、低二电平的矩形波，应用于模－数转换，波形产生及变换，及越限警等。

2. 运放的工作状态：开环和正反馈应用

运放在线性运用时，由于开环增益一般在10⁵以上，所以其对应的输入的线性范围很小，U_i数量级，为了拓宽其线性范围就必须引入负反馈，降低其开环增益。二比较器则希望其输入的线性范围越笑越好(即比较灵敏度越高)采用开环或使开环增益更高的正反馈应用。在这儿有必要重复展现运放开环电压传输特性。见图8.2.1，请注意横、纵坐标标度的不同

(1) 从途中可化称

(2) 若U_i发出变化，使U_o从负波阿和值突变到正饱和值，只在经过极窄的线性区时，才遵循在线性工作时才特有的“虚短”，其它时刻“虚短”不复存在。

(3) 若横坐标采用与纵坐标相同的标尺，则线性部分特性与纵轴合拢

(4) 若用正反馈使A_od↑，则可缩短状态的转换时间。

3. 分类：

(1) 单限比较器

(2) 迟滞比较器(Schmitt)

(3) 双限比较器(窗口比较器)

二. 单限比较器

1. U_i与U_R分别接运放两输入端的开环串接比较器，见图8.2.2

ΔU_i>U_R U_o=+U_om

ΔU_iR U_o=-U_om

ΔU_i=U_R U_o发生翻转(或称突变)

U_T=U_R 谶纬门限电压或阀值，若U_R=0称为过零比较器

Δ当U_i与U_R互换位置，此时U_o以U_i=U_R为对称轴与交换量对称。

2. U_i与U_R并联在运放同一输入端时的开环并接比较器 见图8.2.3

Δ在同相端可作Therenin等效

当U_oc>0时，即 U_o=+U_om

当U_oc<0时，即 U_o=-U_om

可见

Δ若把运放的同相端与反相端互换，则与图8.2.2(b)类同

三. 迟滞比较器(正反馈比较器)

其特点是抗干扰能力较强。在单限比较器种，如果U_i受到干扰，在阀值附近回出现U_i+ΔU_i(干扰信号多出现在阀值电压上，下波动，以致出现条纹误翻转，而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压，输入的干扰信号不能使状态误翻转。

1. 两种迟滞比较器的传输特性 见图8.2.4

动画演示

Δ同相型：U_i接运放同相端

反相型：U_i接运放反相端

Δ均由二根传输特性(1)，(2)合成，同相型. 当U_i从低值↑≥U_TH，U_o从U_OL↑U_OH；当U_i从高值↓≤U_OL时，U_o从U_OH↓U_OL。反相型则类同。

Δ U_TH，U_TL为二个阀值，ΔU_T(回差)＝U_TH－U_TL

Δ U_OH=U_OL或U_OH≠U_OL根据输出是否有箝位电路而定。

2. 二种基型迟滞比较器

(1) 反相型迟滞比较器 见图8.2.5

U_i=U_－，U_o被箝位在±U_Z，避免运放计入过饱和。

假设U_i在足够低时，U_i+，U_o=U_off=+U_Z (始终稳定)

此时

Δ当U_i从低值↑ 若U_i≥U₊时，U_o从+U_Z↓ -U_Z

此时

Δ当U_i从高值↓至U_i≤，U_o从-U_Z↑+U_Z

Δ门限宽度ΔU_T=U_TH-U_TL=

Δ当U_R=0时，

ΔU_i无论从足够低或足够高单调增加或单调减少，U_o仅翻转一次，即过了阀值后就维持在一种稳态。

(2) 同相迟滞比较器 见图 8.2.6

U_R=U_－

设U_i足够低，使U₊－=U-_R，U_o=U_oL=-U_Z (初始稳态)

若要使U_o从-U_Z↑+U_Z，必须使U_i↑，以致使U₊≥U_－=U_R才行，此时对应的U_i=U_TH

Δ当U_i从低值↑，使

即 此时U_o从-U_Z↑+U_Z

Δ当U_i从高值↓，使时所对应的U_i=U_TL

即 此时U_o从+U_Z↓-U_Z

同上面反相型类同，U_i单调升或单调降，U_o只改变一次状态，过了阀值后只维持在一种稳态上。

四. 双限比较器 (窗口比较器)

其特点是U_i单调升或单调降，U_o均有两次突变，与单限比较器和迟滞比较器有区别，因此它可以判别U_i是否在两个电平之间。它实际上由二个单限开环比较器组成，D₁，D₂作用为隔断，U_o1，U_o2连接通路，避免U_o1，U_o2极性相反时，互为对方提供低阻通路而造成运放损坏。

ΔUiRL(RH)

ΔU_i>U_RH(>U_RL)

ΔU_RLiRH

Δ采用上面窗口比较器可以区分三极管β是否在需要范围内，比如记为合格范围为 50<β100，其它β<50或β>100均要取出，则可用发光二极管亮表示一种越限极警，不亮记为可通过即β合格。

Δ改接一下上述输入输出回路即方便可得

要区分β=50，100 找出时应得U_RL及U_RH

对应图 8.2.7(b) 传输特性可画出β与U_o的关系

即