運算放大器作電壓比較器的分析

電壓比較器它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開關(guān)（高低電平）量。它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。一般應(yīng)用中，有時也可以用線性運算放大器，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來使用。

1.電壓比較器的功能
電壓比較器是用來比較兩個電壓大小的電路，它的輸入信號是模擬電壓，輸出信號一般只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)的電壓。利用電壓比較器可將各種周期性信號轉(zhuǎn)換成矩形波。

2.運放的工作狀態(tài)
比較器電路中的運放一般在開環(huán)或正反饋條件下工作，運放的輸出電壓只有正和負(fù)兩種飽和值，即運放工作在非線性狀態(tài)。在這種情況下，運放輸入端“虛短”的結(jié)論不再適用，但“虛斷”的結(jié)論仍然可用（由于運放的輸入電阻很大）。

3.電壓比較器的類型
常用的電壓比較器有零電平比較器、非零電平比較器、遲滯比較器和窗口比較器等電路。零電平和非零電平比較器只有一個閾值電壓稱之為單門限比較器；遲滯比較器和窗口比較器有兩個閾值電壓稱之為多門限比較器。

4.電壓比較器的性能指標(biāo)
（1）閾值電壓：比較器輸出發(fā)生跳變時的輸入電壓稱之為閾值電壓或門限電平。
（2）輸出電平：輸出電壓的高電平和低電平。
（3）靈敏度：輸出電壓跳變的前后，輸入電壓之差值。其值越小，靈敏度越高。然而，靈敏度越高，抗干擾能力就越差。零電平和非零電平比較器的靈敏度取決于運放從一個飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個飽和狀態(tài)所需輸入電壓的值，而遲滯比較器的靈敏度等于兩個閾值電壓之差值。因而，遲滯比較器的抗干擾能力強。
（4）響應(yīng)時間：輸出電壓發(fā)生跳變所需的時間稱之為響應(yīng)時間。

5.電壓比較器的分析方法
（1）根據(jù)輸入電壓使輸出電壓跳變的條件估算閾值電壓。運放兩個輸入端電壓差近似等于零是比較器輸出電壓發(fā)生跳變的臨界條件，當(dāng)同相輸入端的電位高于反相輸入端時，輸出電壓為正飽和值，反之為負(fù)飽和值。
（2）根據(jù)具體電路，分析輸入電壓由高到低和由低到高變化時輸出電壓變化的規(guī)律。
（3）畫傳輸特性。傳輸特性是反映比較器輸出電壓與輸入電壓關(guān)系的曲線。
（4）根據(jù)輸入電壓的波形和傳輸特性畫輸出電壓的波形。

運算放大器構(gòu)成的電壓比較器
集成運算放大器除了能對各種模擬信號進行運算外，還可以對信號進行處理，如作有源濾波器和電壓比較器等。

運算放大器作電壓比較器時，工作在飽和區(qū)。下面公式中的Uo max和Uo min分別為uo的值和小值（即正負(fù)飽和輸出電壓 Uo（sat）和-Uo（sat））。

1、簡單比較器
（1）反相輸入

圖1 簡單比較器（反相輸入）電路圖 圖2 簡單比較器（反相輸入）傳輸特性
比較器的輸入信號ui接運放的反相輸入端，參考電壓UR接運放的同相輸入端，有

（2） 同相輸入

圖3 簡單比較器（同相輸入）電路圖 圖4 簡單比較器（同相輸入）傳輸特性
比較器的輸入信號ui接運放的同相輸入端，參考電壓UR接運放的反相輸入端，有

若簡單比較器的參考電壓為零，則稱為過零比較器。

2、滯回比較器
在簡單比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋，即得滯回比較器。
（1） 反相輸入

圖5 滯回比較器（反相輸入）電路圖 圖6 滯回比較器（反相輸入）傳輸特性
比較器的輸入信號ui接運放的反相輸入端，參考電壓UR接運放的同相輸入端，有

回差為

（2） 同相輸入
比較器的輸入信號ui接運放的同相輸入端，參考電壓UR接運放的反相輸入端，有

回差為

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