比较器运算放大电路

通用运算放大器有时用来作比较器。比较器工作在开环状态，电路增益很高，通常输出是饱和或截止状态，因此比较器的输出是数字信号（只有两种状态），比较器是非线性电路，有关比较器的详细介绍见下节。

比较器用来指示两个输入信号端相对状态。如果同相输入端比反相输入端电位高，比较器的输出将是高电平。如果同相输入端比反相入端电位低，比较器输出低电平。通常在一个输入端加上参考电压。那么输出将指示加于另一个输入端的信号大小。比较器常常用来确定一个信号是高于或低于参考电平。

当参考电压是零时,比较器称作是过零检测器。能利用过零检测器把正弦波转换成方波。两个比较器能构成“窗口”电路，这个电路是用来确定一个信号是否在两个限定值之间。常常希望比较器的输出状态改变尽可能地快。另外有时要求比较器输出与输入有一定的逻辑关系，这样在某些应用中需要专用的选通脉冲，此时比较器只在选中的期间有输出。专用的比较器IC具有更好的性能，在某些应用中它代替了运算放大器。最常见优点是比较器IC用单电源工作。

前一节已经讨论过运算放大器可用作比较器。然而在某些情况中它们的工作不理想。例如,当需要与TTL输出兼容时，用运算放大器作比较器可能不满足电路的要求。TTL是三极管－三极管逻辑（ transistor-transistor logic）电路的缩写，它是广泛应用的数字器件，用于很多产品和系统中。比较器常常是模拟和数字结合的器件。

专用的比较器集成电路，它们较好地将模拟与数字的特点结合在一起。它提供了表示与两个模拟电压相关的逻辑状态输出，其中一个模拟电压是固定的参考量。当另一个电压超过参考量、小于参考量或者在某一个指定范围比较器能发出信号。比较器集成电路必须能迅速地改变输出状态，它具有高增益、宽的带宽和大的翻转率的优化组合。数字信号的转换时间通常很快，如图13－49所示，TTL电路的判断电压是0.8V和2V。在这两个电压之间的转换必须迅速。白色的痕迹是合格，然而在有开关时间要求时红色的光迹更好。

对驱动比较器的信号源的性能很重要。如果信号转换速度慢，就要用施密特触发器结构。施密特触发器利用正反馈，本章的上一节已经讨论过。另一个要素是驱动比较器的信号源阻抗，在信号源是高阻抗时，可能产生毛刺干扰脉冲。施密特触发器能解决这个问题。

某些IC比较器能在5～30V或±15V的双极性电源的情况下工作。它们对双极性电源的要求与集成运算放大器一样。象通用的LM311的集成电路，有一个未限定输出的三极管，它有可利用的集电极和发射极输出端。使得这些器件的使用很灵活。它可用来驱动很多类型的逻辑电路。图13－50显示了LM311的引线。平衡输入端所起的作用很象运算放大器的失调补偿端。脉冲选通输入端适用于输出脉冲只在指定时间起作用的那些场合,这个时间称作选通时间。注意图13－50中要求有上拉电阻，因为这个器件的输出用了未限定输出的三极管。

图13－51显示了一个“窗口”比较器。这个电路确定信号电压是否在规定的范围（窗口）之内。这样的电路用在试验和生产方面，用以选择在特殊规定范围内的零件或部件。它们也用在自动装置上，如用在电池充电器。图13－51 中的二极管把两个比较器输出端进行逻辑合并。当输入Uin

在上限（U上阈）和下限（U下阈）之间，这时输出是零（逻辑零）。如果Uin在U上阈之上或在U下阈之下，则输出接近＋5V（逻辑高）

图13－52是另一种窗比较器，实现同一种目的，但电路的结构可能完全不同。图13－52（a）是它的比较特性（b）是它的电路。图中的A1接成精密检波电路，A2是单限比较器。

当uI>0且 uI－UREF1

在

　　时比较器A2输出高电平，由此可知U下阈＝UREF1－UREF2。

当uI>0，且uI－UREF1>0时，运放A1输出为负电压，D2截止，D1导通，相应的u’o1为：

　　

这时，A2的输入电压除了通过R的uI、UREF1和UREF2之外还增加了通过R/4的u’o1。同样，

在

　　时，比较器A2输出高电平，由此可知U上阈＝UREF1＋UREF2。

相应的迟滞回环宽度：ΔU=U上阈－U下阈=2UREF2

电压比较器

2.8.1  实验目的

1．掌握电压比较器的电路构成和特点。

2．了解集成运算放大器的实际应用。

2.8.2  实验原理

电压比较器的功能是比较两个电压的大小，通常是将一个信号电压Ui和另一个参考电压UR进行比较，在Ui > UR和Ui

图2-8-1所示为最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压Ui 加在反相输入端。

a.电路图                   b.传输特性

图2-8-1   电压比较器

当Ui

当Ui >UR时，运放输出低电平，稳压管Dz 正向导通，输出电压等于稳压管的正向导通电压UD，即

因此，以UR为界，当输入电压Ui变化时，输出端反映出两种状态：高电位和低电位。图2-8-1（b）示出了图2-8-1（a）所示电路输出电压与输入电压之间的特性曲线，即传输特性曲线。

a.电路图                 b.传输特性

图2-8-2   过零比较器

a.电路图             b.传输特性

图2-8-3   具有滞回特性的过零比较器

常用的电压比较器有过零比较器（如图2-8-2所示）、具有滞回特性的过零比较器（如图2-8-3所示，也称为施密特触发器）和窗口比较器（如图2-8-4所示）。过零比较器在实际工作时，如果Ui恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在，Uo将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的，为此，就需要输出特性具有滞回现象。具有滞回特性的过零比较器如图2-8-3(a)所示，电路从输出端引一个电阻分压支路到同相输入端，若Uo改变状态，同相端的电位也随着改变。当Uo为正， ，则当Ui >U+后，Uo即由正变负，此时同相输入端电位U+变为-U+， 。故只有当Ui下降到-U+以下，才能使Uo再度回升到Uo+，于是出现图2-8-3（b）所示的滞回特性。- U+与U+的差别称为回差，改变R2的数值可以改变回差的大小。

简单的比较器仅能鉴别输入电压Ui比参考电压UR高或低的情况，窗口比较器是由两个简单比较器组成，如图2-8-4所示，它能指示出Ui值是否处于URH和URL之间。

a.电路图                    b.传输特性

图2-8-4      窗口比较器

2.8.3  实验内容及步骤

1．过零电压比较器

(1)按图2-8-2(a)所示连接实验电路，接通±12V电源。

(2)测量Ui悬空时的Uo电压。

(3)Ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，用示波器观察Ui—Uo的波形，并记录。

(4)改变Ui幅值，测量传输特性曲线。

2．反相滞回比较器

(1)按图2-8-3(a)所示连接实验电路，接通±12V电源，测量Uo由+Uomax→-Uomax时Ui的临界值。

(2)同上，测出Uo由-Uomax→+Uomax时Ui的临界值。

(3)Ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，用示波器观察Ui—Uo的波形，并记录。

(4)将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验，测定传输特性。

3．同相滞回比较器

(1)将图2-8-3（a）所示电路中运放的反相端接地，同相端接输入信号，接通±12V电源，测量Uo由+Uomax→-Uomax时Ui的临界值。

(2)同上，测量Uo由-Uomax→+Uomax时Ui的临界值。

(3)Ui输入500Hz、幅值为2V的正弦信号，用示波器观察Ui—Uo的波形，并记录。

(4)将分压支路100K电阻改为200K，重复上述实验，测定传输特性。

(5)将结果与反相滞回比较器相比较。

4．窗口比较器

参照图2-8-4所示电路自拟实验步骤和方法测定其传输特性。

2.8.4  实验报告要求

1．整理实验数据，画出各类比较器的传输特性曲线。

2．总结几种比较器的特点，阐明它们的应用。

2.8.5  实验设备

1．直流电源               1台

2．二踪示波器             1台

3．信号发生器             1台

4．晶体管毫伏表           1台

5．万用表                 1块

2.8.6  实验预习要求

1．复习教材中有关比较器的内容。

2．画出各类比较器的传输特性曲线。

2.8.7  实验注意事项

1．切忌集成运放的正、负电源极性接反和输出端短路，否则将会损坏集成块。几个仪器共同使用时，必需遵守“共地”连接的原则。

2．严禁信号发生器、稳压电源的输出端短路，以防损坏仪器。

3．实验完毕按有关规定恢复仪器的面板开关旋钮的位置。