运算放大器作电压比较器的分析

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电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口,还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。电压比较器输入是线性量,而输出是开关(高低电平)量。它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较,在二者幅度相等的附近,输出电压将产生跃变,相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。一般应用中,有时也可以用线性运算放大器,在不加负反馈的情况下,构成电压比较器来使用。
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1.电压比较器的功能
电压比较器是用来比较两个电压大小的电路,它的输入信号是模拟电压,输出信号一般只有高电平和低电平两个稳定状态的电压。利用电压比较器可将各种周期性信号转换成矩形波。

2.运放的工作状态
比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件下工作,运放的输出电压只有正和负两种饱和值,即运放工作在非线性状态。在这种情况下,运放输入端“虚短”的结论不再适用,但“虚断”的结论仍然可用(由于运放的输入电阻很大)。

3.电压比较器的类型
常用的电压比较器有零电平比较器、非零电平比较器、迟滞比较器和窗口比较器等电路。零电平和非零电平比较器只有一个阈值电压称之为单门限比较器;迟滞比较器和窗口比较器有两个阈值电压称之为多门限比较器。

4.电压比较器的性能指标
(1)阈值电压:比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平。
(2)输出电平:输出电压的高电平和低电平。
(3)灵敏度:输出电压跳变的前后,输入电压之差值。其值越小,灵敏度越高。然而,灵敏度越高,抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值,而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值。因而,迟滞比较器的抗干扰能力强。
(4)响应时间:输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间。

5.电压比较器的分析方法
(1)根据输入电压使输出电压跳变的条件估算阈值电压。运放两个输入端电压差近似等于零是比较器输出电压发生跳变的临界条件,当同相输入端的电位高于反相输入端时,输出电压为正饱和值,反之为负饱和值。
(2)根据具体电路,分析输入电压由高到低和由低到高变化时输出电压变化的规律。
(3)画传输特性。传输特性是反映比较器输出电压与输入电压关系的曲线。
(4)根据输入电压的波形和传输特性画输出电压的波形。

运算放大器构成的电压比较器
集成运算放大器除了能对各种模拟信号进行运算外,还可以对信号进行处理,如作有源滤波器和电压比较器等。

运算放大器作电压比较器时,工作在饱和区。下面公式中的Uo max和Uo min分别为uo的值和小值(即正负饱和输出电压 Uo(sat)和-Uo(sat))。

1、简单比较器
(1)反相输入
 
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图1 简单比较器(反相输入)电路图 图2 简单比较器(反相输入)传输特性
比较器的输入信号ui接运放的反相输入端,参考电压UR接运放的同相输入端,有

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(2) 同相输入
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图3 简单比较器(同相输入)电路图 图4 简单比较器(同相输入)传输特性
比较器的输入信号ui接运放的同相输入端,参考电压UR接运放的反相输入端,有

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若简单比较器的参考电压为零,则称为过零比较器。

2、滞回比较器
在简单比较器的基础上引入正反馈,即得滞回比较器。
(1) 反相输入

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图5 滞回比较器(反相输入)电路图 图6 滞回比较器(反相输入)传输特性
比较器的输入信号ui接运放的反相输入端,参考电压UR接运放的同相输入端,有

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回差为

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(2) 同相输入
比较器的输入信号ui接运放的同相输入端,参考电压UR接运放的反相输入端,有

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回差为

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