西電模電-第3章電壓比較器

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1、 一 . 一 階 RC有 源 濾 波 器 二 . 二 階 RC有 源 濾 波 器 2.正 饋 型 有 限 增 益 放 大 器 的 有 源 二 階 低 通 濾 波 電 路 3.無(wú) 限 增 益 放 大 器 的 多 環(huán) 負(fù) 饋 型 二 階 帶 通 濾 波 電 路 4. 二 階 帶 阻 濾 波 器 . 全 通 和 帶 通 相 加 器 組 成 的 帶 阻 濾 波 器 三 . 一 階 全 通 （ 移 相 ） 濾 波 器 四 . 基 于 雙 積 分 環(huán) 的 二 階 有 源 濾 波 器 （ 狀 態(tài) 變 量 濾 波 器 ） RC有 源 濾 波 器 小 結(jié). 雙 T網(wǎng) 絡(luò) 組 成 的 帶 阻 濾 波 器 1. 二

2、 階 RC濾 波 器 的 組 成 結(jié) 構(gòu) 一 . 由 LC諧 振 回 路 構(gòu) 成 的 帶 通 和 帶 阻 濾 波 器2.4.6 模 擬 電 感 實(shí) 現(xiàn) 的 濾 波 電 路 0 2 2 20 01|( ) 1 1( | )u s ssL QsC RCA s sR sL s s ssC RC LC Q 1o o CQ RC R LLC 其 中 可 見(jiàn) ， 第 一 個(gè) 電 路 具 有 帶 通 特 性 。 2 2 202 2 20 01( ) 11 1u sLsCA s R sLsCs sLCRs s s sL LC Q 1 1oo L LQ R R CLC 其 中 可 見(jiàn) ， 該 電 路 具 有 帶

3、 阻 特 性 。 42 531 ZZ ZZZIUZ iii 取 1 3 5 24 1Z Z Z Z RZ j C 2i aZ j R C j L 2aL R C摸 擬 無(wú) 耗 等 效 電 感 二 . 模 擬 電 感 。1. 無(wú) 耗 接 地 電 感 Z3Z5UiZ4 Z5UiUiZi Ui CR R RR u o K R6ui C6 La 由 模 擬 電 感 構(gòu) 成 的 帶 通 濾 波 器 21 1 2 1 2 1 2 1 11 ( )( )R i CRi iii i i i C i i aU I j C RUZ IR I I j CR I RIR U I R j CR RR U R jU LU

4、 1 2 1 2aR R R L CR R 其 中可 見(jiàn) ， 該 電 路 等 效 一 有 耗 電 感 。 1. 有 耗 接 地 電 感 。 由 模 擬 電 感 構(gòu) 成 的 帶 阻 濾 波 器 1 2R R R 選 擇 即 可 實(shí) 現(xiàn) 由 模 擬 電 感 構(gòu) 成 的 二 階 帶 阻 濾 波 器 ( ) 0OO iUA U 在 處11o aL C 第 3章 電 壓 比 較 器、馳 張 振 蕩 器 及 模 擬 開(kāi) 關(guān)3.1 電 壓 比 較 器3.2 馳 張 振 蕩 器3.3 模 擬 開(kāi) 關(guān) 電 壓 比 較 器 的 功 能 是 對(duì) 兩 個(gè) 輸 入 電 壓 的 大 小 進(jìn) 行 比 較 ，并 根 據(jù) 比

5、較 結(jié) 果 輸 出 高 、 低 兩 個(gè) 電 平 。3.1 電 壓 比 較 器 電 壓 比 較 器 有 專 用 的 集 成 芯 片 可 供 使 用 ， 也 可 用 集 成運(yùn) 放 組 成 ， 這 里 只 討 論 后 者 。 由 于 比 較 器 輸 出 只 有 兩 個(gè) 狀 態(tài) ， 因 此 ， 用 作 比 較 器 的運(yùn) 放 將 工 作 在 開(kāi) 環(huán) 或 正 反 饋 的 非 線 性 狀 態(tài) 。比 較 器 在 信 號(hào) 變 換 、 檢 測(cè) 和 波 形 產(chǎn) 生 電 路 中 有 廣 泛 應(yīng) 用 。 此 外 由 于 高 電 平 相 當(dāng) 于 邏 輯 “ 1”， 低 電 平 相 當(dāng) 邏 輯“ 0”， 所 以 比 較 器

6、 可 作 為 摸 擬 與 數(shù) 字 電 路 之 間 的 接 口 電 路 。 電 壓 比 較 器 的 基 本 特 性 1. 輸 出 高 電 平 (UoH )和 低 電 平 (UoL) 用 運(yùn) 放 構(gòu) 成 的 比 較 器 ， 其 輸 出 的 高 電 平 UoH 和 低 電 平UoL可 分 別 接 近 于 正 電 源 電 壓 (UCC)和 負(fù) 電 源 電 壓 (-UCC)。電 壓 比 較 器 的 電 路 符 號(hào) 理 想 的 電 壓 比 較 器 ， 在 高 、低 電 平 轉(zhuǎn) 換 的 門(mén) 限 UT處 具 有階 躍 的 傳 輸 特 性 。 實(shí) 際 運(yùn) 放 的 Aud不 為 無(wú) 窮 大 。 在 UT附 近 存

7、 在 著 一 個(gè) 比較 的 不 靈 敏 區(qū) 。 在 該 區(qū) 域 內(nèi) 輸 出 既 非 UoH ， 也 非 UoL， 故無(wú) 法 對(duì) 輸 入 電 平 大 小 進(jìn) 行 判 別 。2. 鑒 別 靈 敏 度 udA 這 就 要 求 運(yùn) 放 ： 顯 然 ， A ud越 大 ， 則 這 個(gè) 不 靈 敏 區(qū) 就 越 小 ， 稱 比 較 器的 鑒 別 靈 敏 度 越 高 。 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 3.轉(zhuǎn) 換 速 度 作 為 比 較 器 的 另 一 個(gè) 重 要 特 性 就 是 轉(zhuǎn) 換 速 度 ， 即 比較 器 輸 出 狀 態(tài) 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 換 所 需 要 的 時(shí) 間 。 通 常 要 求 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 盡 可 能 短 ，

8、以 便 實(shí) 現(xiàn) 高 速 比 較 。為 此 可 對(duì) 比 較 器 施 加 正 反 饋 ， 以 提 高 轉(zhuǎn) 換 速 度 。 非 線 性 應(yīng) 用 的 條 件 ： 運(yùn) 放 開(kāi) 環(huán) 或 施 加 正 反 饋 。理 想 集 成 運(yùn) 放 非 線 性 應(yīng) 用 時(shí) 的 特 點(diǎn)非 線 性 應(yīng) 用 特 點(diǎn) ： 0 o CC oLo CC oHi iu u u U Uu u u U U 此 時(shí) ， 兩 輸 入 端 “ 虛 短 路 ” 的 概 念 不 再 適 用 。 i-i+ 一 . 反 相 電 壓 比 較 器 電 路 如 圖 所 示 ， 輸 入 信 號(hào) ui加在 反 相 端 ， 參 考 電 壓 ur 加 在 同 相 端

9、。3.3.1 簡(jiǎn) 單 電 壓 比 較 器 ui ur ， uo=UO L 其 傳 輸 特 性 uo= f ( ui )當(dāng) 該 電 路 的 參 考 電 壓 為 零 時(shí) ， 則 為 反 相 過(guò) 零 比 較 器 。 0UoH 2. 同 相 電 壓 比 較 器 ui ur ， uo=UO H其 傳 輸 特 性 u o= f ( ui )當(dāng) 參 考 電 壓 為 零 時(shí) ， 則 為 同 相 過(guò) 零 比 較 器 。 電 路 如 圖 所 示 ， 輸 入 信 號(hào) ui加 在 同 相 端 ， 參 考 電 壓 ur 加 在 反 相 端 。 0 例 1. 若 ui=5sint V ur =2V, UCC =12V。

10、試 畫(huà) 出 反 相 和 同 相 比較 器 的 輸 出 波 形 。 反 相 比 較 器 同 相 比 較 器 例 2.將 不 規(guī) 則 的 輸 入 波形 整 形 成 規(guī) 則 的 矩 形 波 。 例 3.若 ur為 三 角 波 ， 而 ui為 緩變 信 號(hào) ， 實(shí) 現(xiàn) 脈 寬 調(diào) 制 。 反 相 比 較 器反 相 過(guò) 零 比 較 器 簡(jiǎn) 單 比 較 器 應(yīng) 用 中 存 在 的 問(wèn) 題 . 輸 出 電 壓 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 受 運(yùn) 放 的 限 制 ， 使 高 頻 脈 沖 的 邊 緣不 夠 陡 峭 ； . 抗 干 擾 能 力 差 。 在 比 較 門(mén) 限 處 ， 輸 出 將 產(chǎn) 生 多 次 跳 變 。3.3.

11、2. 遲 滯 比 較 器 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 為 了 解 決 以 上 兩 個(gè) 問(wèn) 題 ， 在 比 較 器 中 引 入 正 反 饋 ，構(gòu) 成 所 謂 “ 遲 滯 比 較 器 ” 。 這 種 比 較 器 具 有 很 強(qiáng) 的 抗 干 擾 能 力 ， 同 時(shí) 由 于 正 反饋 加 速 了 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 換 ， 從 而 改 善 了 輸 出 波 形 的 邊 緣 。 一 .反 相 遲 滯 比 較 器 反 相 遲 滯 比 較 器 電 路 如圖 所 示 。 R1和 R2將 輸 出 電 壓u o反 饋 到 運(yùn) 放 的 同 相 端 ， 構(gòu)成 正 反 饋 。 為 簡(jiǎn) 單 計(jì) ， R1端所 接 的 參 考 電 平 為

12、 地 電 位 。下 面 來(lái) 分 析 該 電 路 的 傳 輸 特 性 11 2f oHRU U UR R 當(dāng) 輸 出 一 旦 變 為 低 電 平 ， 則 同 相 端 也 同 時(shí) 跳 變 為 當(dāng) ui很 負(fù) 使 u 以 后 ， uo將 維 持 在 低 電 平 。U U U 11 2 oLRU U UR R 反 之 ， ui由 大 逐 漸 變 小 時(shí) ， 由 于 同 相 端 電 位 變 為 因 而 ui必 須 小 到 時(shí) ， 輸 出 才 由 低 電 平 跳 變 為 高 電 平 。此 時(shí) 的 輸 入 電 壓 稱 為 下 門(mén) 限 電 壓 ， 記 為 UTL。 UTL= U U 對(duì) 應(yīng) 的 傳 輸 特 性

13、 曲 線 如 圖 所 示 。 UTHUTL 11 2TH oHRU UR R 電 壓 的 傳 輸 特 性 11 2TL oLRU UR R 由 于 其 傳 輸 特 性 很 像 磁性 材 料 的 磁 滯 回 線 ， 所 以 稱之 為 遲 滯 比 較 器 或 滯 回 比 較器 。 1 11 2 1 2( ) 2TH TL oH oL CCR RU U U U U UR R R R 遲 滯 比 較 器 的 上 、 下 門(mén) 限 電壓 之 差 稱 之 為 回 差 ， 用 U表 示 ， 即 回 差 U的 大 小 ， 將 決 定 比 較 器 的 抗 干 擾 能 力 ， U越大 ， 則 抗 干 擾 能 力 越

14、 強(qiáng) 。 但 同 時(shí) 使 比 較 器 的 鑒 別 靈 敏 度 降低 。 因 為 輸 入 電 壓 ui的 峰 峰 值 必 須 大 于 回 差 ， 否 則 ， 輸 出電 平 不 可 能 轉(zhuǎn) 換 。 例 4. 若 ui=5sint V ， R1 =10k， R2 =50k ， UCC =12V。 試 畫(huà) 出 反 相 遲 滯 比 較 器 的 輸 出 波 形 。10 12 210 50THU V 10 ( 12) 210 50TLU V 解 有 干 擾 下 的 遲 滯 比 較 器 輸 出 波 形 二 . 同 相 遲 滯 比 較 器 電 路 如 圖 所 示 ， 當(dāng) ui很 負(fù)使 u+ u =0 時(shí) ， u

15、o為 低 電平 UoL。 此 時(shí) ， 同 相 端 電 位 u+為 2 11 2 1 2i oLR RU u UR R R R 當(dāng) ui由 負(fù) 增 大 到 使 U+=0時(shí) ， 輸 出 將 由 低 電 平 跳 變 為高 電 平 。 此 時(shí) 的 ui即 為 上 門(mén) 限 電 壓 UTH 。輸 出 一 旦 變 為 高 電 平 ， 則 同 相 端 也 同 時(shí) 跳 變 為UTH =012TH oLRU UR由 上 式 解 得 2 11 2 1 2i oHR RU u UR R R R 反 之 ， ui由 正 減 小 到 使 時(shí) ， 輸 出 將 由 高 電 平 跳變 為 低 電 平 。 此 時(shí) 的 ui即 為

16、 下 門(mén) 限 電 壓 UTL。0U對(duì) 應(yīng) 的 傳 輸 特 性 如 圖 所 示 。UTL =012TL oHRU UR 由 上 式 解 得 12TH oLRU UR 作 業(yè) ： p95 3-1，3-2， 3-3 若 ui=6sint v， ur=5v， R1 =20k， R2 =50k ，UCC =12V。 試 畫(huà) 出 傳 輸 特 性 ， 并 畫(huà) 出 輸 出 電 壓 波 形 。 一 . 簡(jiǎn) 單 電 壓 比 較 器 二 . 遲 滯 比 較 器 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 振 蕩 器 （ 又 稱 波 形 產(chǎn) 生 器 ） 是 一 種 沒(méi) 有 輸 入 信 號(hào) ，在 加 電 之 后 能 自 動(dòng) 產(chǎn) 生 一 定

17、 形 狀 、 一 定 幅 度 和 一 定 頻 率波 形 的 電 路 。 根 據(jù) 產(chǎn) 生 波 形 的 形 狀 不 同 ， 振 蕩 器 可 分 為后 者 主 要 產(chǎn) 生 方 波 、 三 角 波 和 鋸 齒 波 等 非 正 弦 波 。 張 弛振 蕩 電 路 的 類 型 非 常 多 ， 本 節(jié) 只 討 論 用 集 成 運(yùn) 放 構(gòu) 成 的張 弛 振 蕩 電 路 。75 張 弛 振 蕩 器 一 . 方 波 振 蕩 器 方 波 振 蕩 器 是 由 運(yùn) 放 構(gòu) 成 反 相 遲 滯 比 較 器 ， 再 加 一 條RC充 放 電 支 路 構(gòu) 成 ， 如 圖 示 。 其 上 、 下 門(mén) 限 分 別 為 ：21 2

18、( )TL Z DRU U UR R 21 2 ( )TH Z DRU U UR R 1. 振 蕩 器 原 理 加 電 后 若 uo=UoH ， UoH 通 過(guò) R向 C充 電 ， ui增 大 ， 達(dá) 到UTH 時(shí) ， uo跳 變 為 低 電 平 。 uo=UoL后 ， C反 向 充 電 ， ui減 小 ， 降 到 UTL時(shí) ， uo又跳 變 為 高 電 平 此 后 重 復(fù) 以 上 過(guò) 程 ， 周 而 復(fù) 始 產(chǎn) 生 振 蕩 。+ 振 蕩 器 電 路 中 電 容 器 端 和 輸 出 的 電 壓 波 形下 面 來(lái) 計(jì) 算 振 蕩 頻 率 f 0 1 1( ) (0 )ln ( ) ( )C CC

19、 Cu uT u u T 1 21ln 2ln(1 )oH TLoH THU UT U URRC R 首 先 計(jì) 算 周 期 T。 T=T1+T2， T1=T2， T=2T1。 根 據(jù) 三 要 素 法 ：0 1 211 1 1 22 2 ln(1 )f RT T RC R 則 振 蕩 頻 率 21 221 1 20( )C TL oHC oHC TH oHRU U UR RU U Ru T U UR RRC （）（）其 中 可 見(jiàn) ， 只 要 調(diào) 節(jié) 電 位器 動(dòng) 臂 的 位 置 ， 使 充 、放 電 時(shí) 常 數(shù) 不 等 ， 則 占空 比 可 調(diào) 。 但 振 蕩 周 期（ 頻 率 ） 保 持

20、不 變 。 為 了 表 征 方 波 高 、 低 電 平 的 對(duì) 稱 性 ， 引 入 參 數(shù) 占空 比 D， D定 義 為 高 電 平 時(shí) 間 T1與 周 期 T的 比 值 ， 即1 11 2D T T T T T 顯 然 ， 上 述 電 路 由 于 T1=T2， T=2T1， 所 以 D=0.5 如 果 要 求 占 空 比 可 調(diào) : 如 動(dòng) 臂 向 上 移 動(dòng) 時(shí) ： T 1T2， D0.5 二 . 三 角 波 -方 波 振 蕩 器 電 路 組 成 原 理 1. 反 相 比 較 器 構(gòu) 成 的 電 路ui 2. 同 相 比 較 器 電 路 構(gòu) 成 的 電 路 12( )TH Z DRU U

21、UR 12( )TL Z DRU U UR 3. 振 蕩 頻 率 f0 122 ( )TH TLC Z DRU U U U UR 1 22 02 2 12 1 12 4R RC RT fR T T R RC Z DC U Ui R1 2 22T T T T 在 T2時(shí) 間 內(nèi) ， uC的 變 化 量2 201 T Z DC C U UU i dt TC RC 三 . 鋸 齒 波 產(chǎn) 生 器 10k 5.5k 12V 1k 14k 12V LM318 1N4732A 1N4732A 10k/78% 10 0k/71% 1k 1000p LM318 12V 12V RW1 RW2 圖760 占空比

22、可調(diào)的弛張振蕩器 四 . 壓 控 張 弛 振 蕩 器 放大器 為 保 證 振 蕩 的 相 位 關(guān)系 ， uo1=UoH 時(shí) ， Au= 1， 而 uo1=UoL時(shí) ， Au=+1。 uo1輸 出 的 調(diào) 頻 方 波 波 形 控 制 信 號(hào) uS的 波 形EQ US 76 模 擬 開(kāi) 關(guān) 模 擬 開(kāi) 關(guān) 是 電 子 系 統(tǒng) 中 常 用 的 基 本 單 元 電 路 ， 用 來(lái)控 制 信 號(hào) 的 通 斷 。 一 個(gè) 理 想 的 模 擬 開(kāi) 關(guān) ， 應(yīng) 接 通 時(shí) 相 當(dāng) 于 短 路 ， 關(guān) 斷時(shí) 相 當(dāng) 于 開(kāi) 路 ， 工 作 速 度 要 快 ， 各 開(kāi) 關(guān) 間 的 隔 離 度 要 好 。模 擬 開(kāi)

23、 關(guān) 可 由 雙 極 型 晶 體 管 構(gòu) 成 ， 也 可 以 用 MO S場(chǎng) 效 應(yīng)管 構(gòu) 成 CMO S模 擬 開(kāi) 關(guān) 具 有 電 路 簡(jiǎn) 單 、 功 耗 小 、 導(dǎo) 通 電 阻 小 、關(guān) 斷 電 阻 大 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 一 . CMO S傳 輸 門(mén) UDD ui V7 V1 u o uG V3 V 4 V5 V 6 V2 u G 二 . CMO S模 擬 開(kāi) 關(guān) 電 路 (a) (b) IN/OUT IN/OUT IN/OUT IN/OUT C1 C2 C3 C4 OUT/IN OUT/IN OUT/IN OUT/IN S1 S2 S3 S4 14 1

24、13 2 12 11 10 9 8 3 4 5 6 7 S1 S 2 S4 S3 C2 C3 UDD C1 C4 地 CC4046四 雙 向 模 擬 開(kāi) 關(guān) ui uo R R1 Rf Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 S1 S2 S3 S4 UC1 UC2UC3UC4 CC4066 1. 增 益 控 制三 . MO S模 擬 開(kāi) 關(guān) 的 應(yīng) 用 舉 例 0 ui t (a) (b) 0 uCi t 2TT 0 uo t 模擬開(kāi)關(guān) ui uo UCi 2. 脈 沖 調(diào) 制 電 路 3. 模 擬 開(kāi) 關(guān) 用 于 多 路 信 號(hào) 數(shù) 據(jù) 采 集 77 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 選 擇 指 南 本

25、章 已 經(jīng) 介 紹 了 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 在 線 性 和 非 線 性 方面 的 應(yīng) 用 。 為 便 于 說(shuō) 明 電 路 的 工 作 原 理 和 電 路 性 能 指 標(biāo)的 計(jì) 算 ， 分 析 中 我 們 都 假 設(shè) 運(yùn) 放 具 有 理 想 的 特 性 。 但 這并 不 意 味 著 在 實(shí) 際 中 可 以 不 加 選 擇 地 隨 便 拿 一 個(gè) 運(yùn) 放 即可 使 用 ， 而 不 去 關(guān) 心 運(yùn) 放 的 具 體 性 能 指 標(biāo) 。 實(shí) 際 上 ， 器 件 的 許 多 非 理 想 因 素 會(huì) 影 響 電 路 的 性 能 ，所 以 ， 我 們 必 須 根 據(jù) 電 路 和 信 號(hào) 的 需 要 來(lái)

26、 精 心 地 選 擇 器件 的 型 號(hào) 。 有 關(guān) 運(yùn) 放 非 理 想 特 性 帶 來(lái) 運(yùn) 算 誤 差 的 定 量 分 析 ， 請(qǐng)讀 者 參 考 本 書(shū) 附 錄 C， 在 此 僅 介 紹 一 般 的 選 擇 原 則 。 (1).如 果 沒(méi) 有 特 殊 要 求 ， 選 用 通 用 型 運(yùn) 算 放 大 器(如 LM741、 LM324等 )。 (2).如 系 統(tǒng) 要 求 精 密 ， 溫 漂 小 ， 噪 聲 干 擾 低 ， 則 選擇 高 精 度 、 低 漂 移 、 低 噪 聲 的 集 成 運(yùn) 放 。 (3).如 系 統(tǒng) 要 求 運(yùn) 放 輸 入 阻 抗 高 ， 輸 入 偏 流 小 ，則 選 擇 高 輸

27、 入 阻 抗 運(yùn) 算 放 大 器 。 (4).若 系 統(tǒng) 對(duì) 功 耗 有 嚴(yán) 格 要 求 ， 則 選 擇 低 功 耗 運(yùn) 放 。 (5).若 系 統(tǒng) 工 作 頻 率 高 ， 則 選 擇 寬 帶 、 高 速 集 成 運(yùn)放 或 比 較 器 。 2M I uo (a) 1k uo (b) 光電流I200nA ui 1k fi5MHz 2k uo ui 1k fi1kHz (c) 例 1. 三 個(gè) 運(yùn) 算 放 大 器 分 別 構(gòu) 成 三 個(gè) 電 路 ， 如 圖 所 示 ，表 72給 出 了 三 個(gè) 運(yùn) 算 放 大 器 的 主 要 參 數(shù) ， 請(qǐng) 針 對(duì) 三 個(gè)電 路 分 別 選 擇 合 適 的 器 件

28、 型 號(hào) 。 表 72三 個(gè) 運(yùn) 算 放 大 器 的 主 要 參 數(shù) 2M I uo (a) 1k uo (b) 光電流I200nA ui 1k fi5MHz 2k uo ui 1k fi1kHz (c) F3140 F318 F007 例 2. 電 壓 比 較 器 LM311構(gòu) 成 的 整 形 電 路 如 圖 示 。LM311電 平 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 為 200ns。 若 分 別 輸 入 頻 率 為fi1=1kH z， fi2=1MH z， fi3=5MH z的 正 弦 信 號(hào) ， 試 問(wèn) 輸 出波 形 將 有 何 變 化 。 f i3=5MHzfi1=1kHzfi2=1MHz解 作 業(yè) ： p243 7-21， 7-22， 7-23， 7-24。