电压比较器简单电压比较器迟滞比较器窗口比较器三态比较器

非正弦信号产生电路方波产生电路方波 - 三角波产生电路

9.3 非正弦信号产生电路

9.3.1 电压比较器

简单电压比较器

迟滞比较器

窗口比较器

三态比较器

电压比较器功能功 能 : 比较两个电压的大小

比较结果以输出高或低电平来表示

用集成运放和电阻、二极管等构成

集成电压比较器

电压比较器中运放的工作特点(1) 工作在开环或正反馈状态

(2) 大多数情况下工作在非线性区域 , 输出与输入

不成线性关系 , 只有在临界情况下才能使用虚

短 , 虚断概念。(3) 输出高电平或者低电平 , 呈现为开关状态V+ > V– 时 , V o 为高 V+ < V– 时 , V o 为低

比较器的分析方法

(1) 求出阈值 : 输出从一个电平跳变到另一个电平

时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚

断）所对应的输入电压值。(2) 分析输入与输出的关系 , 画出传输特性

1. 简单电压比较器过零比较器：过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图所示。

简单电压比较器

将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值 VR

EF 上 , 就得到电压幅度比较器。

电压幅度比较器：

过零比较器应用

同相过零比较器反相过零比较器

反相过零比较器波形图

同相比较器波形图 ?传输特性 ?

限幅比较器

同相端与反相端间的电压 ?输出幅度 ?

同相端与反相端间的电压 ?输出幅度 ?

+

_

R1

R2vi vo

VD=0.7V

VD =.2V VZ

+

_

R1R2vi

vo

VD=0.7V

2. 迟滞比较器a. 反相输入迟滞比较器

21

12

RR

vRVRv OR

+

12

12

RR

VRVR=VVVv ZR

THZO

vI

-

+A

R2

vOR1

R3 ±VZ

VR临界状态下有 :

vvvI

12

12

RR

VRVR=VVVv ZR

TLZO

迟滞比较器传输特性

当 vI 从 VTL 逐渐增大， 只要 vI ≤ VTH ， vo=+Vz

当 vI <VTL 时， vo=+Vz V+=VTH

当 vI 从 VTH 逐渐减小，减小到vI ≤VTL 时， vo=+Vz V+=VTH

vI

-

+A

R2

vOR1

R3 ±VZ

VR

当 vI 增大到 vI ≥VTH 时， vo=-Vz V+=VTL

zz VVRR

R

VVV

21

1

TLTHT -

回差电压

迟滞比较器

IoR vRR

Rv

RR

Rvv

21

2

21

1

oRI vR

RV

R

Rv

2

1

2

1 -)1(

临界状态下有 :

R+-R- =v=vv=vv

b. 同相迟滞比较器 vI

-

+A

R2

vOR1

R3 ±VZVR

ZRTHIZO VR

RV

R

RVvVv

2

1

2

1 )1(

ZRTIZO VR

RV

R

RVvVv

2

1

2

1L )1(

z V

R

RVVV

2

1-Δ 2TLTHT 回差电压：

迟滞比较器

输入输出波形

VTH

VTL

vI

-

+

A

R2

vOR1

R3 ±VZ

VR

迟滞比较器应用

提高简单电压比较器的抗干扰能力

过零比较结果

VTH

VTL

迟滞比较结果

电压比较器应用

正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波波形整形和变换

3. 窗口比较器设 R1 =R2 ，则有：

DLH

DCC

21

2DCCL

2+=

)2-(2

1=

+

)2-(=

VVV

VV

RR

RVVV

当 vI ＞ VH 时， vO1 为高电平， D3 导通； vO2 为低电平 , D4 截止； vO≈ vO1 = VOH 。

A1

A2

窗口比较器

当 VH ＞ vI ＞ VL 时， vO1 为低电平， D3 截止； vO2 为低电平， D4 截止； vO 为 0V ；

传输特性

当 vI ＜ VL 时， vO2 为高电平， D4 导通； vO1 为低电平， D3 截止； vO≈ vO2 = VOH 。

4. 三态比较器

1 1 2 2 z0 0I RH o o ov V v D v D v V 导通 截止

1 1 2 20 0 0RL I RH o o oV v V v D v D v 截止 截止

2 2 1 1 z0 0I RL o o ov V v D v D v V 导通 截止

vI

-

+A2

vO

R3

R4

±VZ

VRL

-

+A1

R1

R2

VRH D1

D2

vo1

vo2

R5

vO

vIVRL

VRH

VOH

VOL

比较器总结• 运放工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出

电压只有高电平 VOH 和低电平 VOL 两种情况。• 用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数

关系。• 电压传输特性的关键要素

– 输出电压的高电平 VOH 和低电平 VOL

– 门限电压• 令 vP ＝ vN 所求出的 vI 就是门限电压

– 输出电压的跳变方向• vI 等于门限电压时输出电压发生跳变• 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式

作业

• 9.8.1

• 9.8.5

• 9.8.6

9.3.2 非正弦信号产生电路

占空比 =T1

T

T

T1

矩形波 方波

0

5V

TTL 波

矩形波发生电路的基本工作原理

方波经积分变为三角波 , 矩形波积分变为锯齿波

1. 方波产生电路

方波发生电路是由迟滞比较电路和 RC定时电路构成的，电路如图所示。

迟滞比较器，其开关作用

起延迟和反馈作用

限幅

限流

方波发生电路工作原理

(2) 当 vc=VN≥VP 时， vo=-VZ ，

所以：

电容 C 放电， vc 开始下降。

21

Z2P +

-=RR

VRV

(1) 电源刚接通时 , 设：

21

Z2P

ZOC

+=

,+=,0=

RR

VRV

Vvv

所以

电容 C 充电， vc 开始升高；

(3) 当 vc=VN≤Vp 时， vo=+VZ ，重复 (1) 。

问题： vc 波形？

方波发生电路输出波形 方波周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出：

)2

1ln(21

2f R

RCRT

ZZtc

Zttc

f

VVv

VRR

Rv

CR

-21

21

其中：

[ ]

[ ] )0(+)-1()(-)0(=

)(-)0(+)(=)(

-

-

cτ

t

cc

τ

t

cccc

vevv

evvvtv过渡过程公式： ∞ ∞

∞

t1 t2

方波发生电路波形周期计算

t1 t2

12 -=2

ttT

Z

CR

t-

ZZc

V+RR

R+

)-e)(V+RR

R-=(-Vv f

21

2

Δ

21

2 1

)2

1ln(21

2f R

RCRT

Z

CR

-T

ZZZ

V+RR

R+

)-e)(V+RR

R-(-VV

+RR

R f

21

2

2

21

2

21

2 1-

Zc V+RR

R=v

21

2-2

T=tΔ 时，当

211 ≤≤tt-t=tΔ tt，且其中：

方波发生电路改进—占空比可调的矩形波电路为了改变输出方波的占空比，应改变电容器 C 的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路如图。

C 充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管 D1 、 Rf ； C 放电时，放电电流经 Rf 、二极管 D2 、电位器的下半部。

矩形波电路的占空比可调占空比为：

%%T

T100

ττ

τ100

21

11

CRrR d '

fw 11τ

CRr'RR d

fww 22τ

二极管 D2

的导通电阻

二极管 D1

的导通电阻电位器触点到上端电阻

2. 方波 - 三角波产生电路 三角波发生器的电路如图所示。它是由同相迟滞比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给迟滞比较器，作为迟滞比较器的输入， VN=0V

同相迟滞比较器，起开关作用

积分电路起延迟作用

方波 - 三角波发生电路工作原理

(1) 当 vO1=+VZ 时 , 则电容 C 充电 ,

同时 vO 按线性逐渐下降， 当使 A1 的 VP 略低于 VN (0

V)

时， vO1 从 +VZ 跳变为 -VZ 。(2) 在 vO1=-VZ 后，电容 C 开始反向充电， vO 按线性上升，当使 A1 的 VP 略大于 零时， vO1 从 -VZ 跳变为 + VZ 。

121

1

21

2P Oo v

RR

Rv

RR

RV

(3) 如此周而复始，产生振荡。 vO 的上升时间和下降时间相等， 斜率绝对值也相等， 所以 vO 为三角波。

方波 - 三角波发生电路输出波形与参数

振荡周期：

2

14

Z

mo4

44

R

CRR

V

VCRT

mo

2/

0 4

Z 21

VdtR

V

C

T

输出峰值 :

Z2

1mo V

R

RV

ZVR

RV

2

1O

方波跳变时： VP=VN=0 ， VO1= ± VZ

所以：

121

1

21

2P Oo v

RR

Rv

RR

RV

注意！

无稳压管时， R2 必须大于 R1 ，否则积分器输出受运放最大输出限制，比较器同相端回不到 0，无法翻转，不能起振。

方波 - 三角波发生电路改进—矩形波 - 锯齿波发生电路

为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管 D 和 R' 将使充电时间常数减为 (R∥R')C ，而放电时间常数仍为 RC 。

矩形波 - 锯齿波电路的输出波形锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：

Vo1m=|Vz|= VomR2/R1

Vom= |Vz| R1/R2

于是有： z2

12

z 2= V

R

RT

RC

V

CRRR

RT )'//(

2

2

11 RC

R

RT

2

12

2=

压控矩形波 - 锯齿波发生器

利用 VC控制矩形波的占空比， VC<VZ

Vo1=+VZ 时电容充电电流： (VZ-VC)/R

Vo1=-VZ 时电容充电电流： -(VZ+VC)/R

锯齿波输出峰值： Z21mo / VRRV

VC

思考题：

正弦振荡与非正弦振荡的原理有什么不同之处？

提示： 1 、从运放工作区域的角度。

2 、从选频角度。

9. 4 波形变换电路周期性变化的信号

方波

三角波

比较器

积分器微分器

锯齿波

振荡电路

改变充放电回路

作业

• 9.8.8

• 9.8.9

• 9.8.10