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干貨|比較器器電路詳細講解,工作原理+靈敏度問題

作者: 時間:2024-08-16 來源:李工談元器件 收藏

今天給大家分享的是:工作原理、靈敏度。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202408/462104.htm

一、什么是比較器?

比較器,具有兩個模擬電壓輸入端UIN+和UIN-,一個數(shù)字狀態(tài)輸出端UOUT,輸出端只有兩種狀態(tài),用以表示兩個輸入端電位的高低關(guān)系:


UH代表高電平,UL代表低電平,具體的電位值,取決于系統(tǒng)的定義。常見的數(shù)字系統(tǒng)中,3.3V代表高電平,0V代表低電平;也有12V/5V代表高電平,0V代表低電平。

高低電平的本質(zhì):可以明顯區(qū)分的電位。

實現(xiàn)比較器的方法:

  • 專門的比較器

  • 運放實現(xiàn)比較器(不推薦)

二、用運放實現(xiàn)比較器

用運放實現(xiàn)比較器,局限性較大,一般不被建議,在要求不高的場合,運放可作為比較器。

三、簡單的運放比較器

1、理想比較器

作比較器應(yīng)用時,一般都是將一個輸入端接成固定電位,稱為基準,用UREF表示,用另一個輸入端接被測電位uI,用于衡量被測電位與基準的關(guān)系。

理想運放與其輸入輸出關(guān)系

上圖為理想運放與其輸入輸出關(guān)系。圖中輸出只有兩種狀態(tài):UH和UL。用運放實現(xiàn)的比較器,具有極高的開環(huán)增益(不是工作在負反饋狀態(tài)下):

  • 當輸入電壓大于基準電壓時,兩者的差乘以開環(huán)增益,一般都會超過正電源電壓,而使實際運放輸出為正電源電壓(軌對軌運放)。

  • 當輸入電壓小于基準電壓時,兩者的差(負值)乘以開環(huán)增益,一般都會低于負電源電壓,而使運放的實際輸出為負電源電壓。

2、實際比較器

實際比較器

該曲線中的紅色虛線區(qū)域為比較器的不靈敏區(qū)。發(fā)生在輸入電壓非常接近基準電壓時,輸出是一個不確定的值。理想運放組成的比較器,不靈敏區(qū)為0.

這里有個思考的問題:不靈敏區(qū)越小越好或者說比較器越靈敏越好嗎?

四、比較器的靈敏度問題

對于一個過于靈敏的比較器,往往會給系統(tǒng)帶來麻煩。因為日常生活的輸入信號,它并不是一個理想的信號,它是包含噪聲信號的。

比較器靈敏度問題

將圖中藍色區(qū)域展開,可發(fā)現(xiàn):對于一個非常靈敏的比較器, 噪聲信號是波動的,經(jīng)常會在某個點低于基準點,從而使比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這就形成了有點所示的很多較小時間的脈沖,而這往往是不準確的。

舉個例子:生活中有些場所是有人員限制的,在進出口安裝紅外發(fā)生器和接收器,一旦有人經(jīng)過就產(chǎn)生一個脈沖,但是給與比較器判斷的信號是有干擾的,如果明明進去一個人,但是像右圖所示產(chǎn)生了7個脈沖,判斷有7個人進去了,這是不準確的。我們可以通過軟件編程的方式判斷脈沖的時間,過小的時間不可能進去一個人,從而剔除干擾信號;也可以在模擬電路階段采取遲滯比較的方式來剔除。

如果把基準電壓從單個變成兩個呢?只有一個基準電壓,稱為單門限比較器;

五、遲滯比較器

遲滯比較器

如圖所示:兩個黃線表示兩個基準電壓,可以看出右邊黃線區(qū)間內(nèi)的噪聲信號被濾除了,雖然這種情況還是存在噪聲干擾,但是明顯比單門限好得多。這兩個基準電壓越接近,效果就越接近單門限的效果。

遲滯比較器

原理:

當輸入電壓足夠負時,運放的負輸入端電壓總是小于正輸入端,因此輸出一定是正電源電壓+VCC(近似),此時運放的正輸入端作為比較基準,為kVCC:

k=R1/R1+R2

隨著輸入電壓逐漸增大,工作點沿著紅色線一直向右移動, 到達B點,輸入電壓大于kVCC,此時運放的正輸入端電壓小于負輸入端電壓,輸出變?yōu)?VEE,即從B點處紅色跌落。此時,比較基準立即改變:由原先的kVCC變?yōu)?kVEE。這就表示:此時就算輸入電壓發(fā)生輕微的逆向翻轉(zhuǎn),比較器也不翻轉(zhuǎn)。

圖中:假設(shè)從 A 開始,到 B 點翻轉(zhuǎn),到 C點,紅色線一直向右,然后以綠色線回轉(zhuǎn)到達kVCC 處,比較器不翻轉(zhuǎn),沿著綠色線一直到 D 點,才回到 A 點(重新回到高電平)。

拓展:

這個比較器的輸出狀態(tài),不僅僅與輸入狀態(tài)相關(guān),還與當前的輸出狀態(tài)有關(guān),使得輸入輸出伏安特性曲線,呈現(xiàn)出類似遲滯回線的形態(tài),因此稱為遲滯比較器。

遲滯比較器看起來比較遲鈍,但是帶來的好處是:只有明確的、強有力的輸入,才能引起輸出改變,而一旦改變,想要恢復(fù),也得特別厲害的反向動作。

遲滯比較器

六、多種形態(tài)的遲滯比較器

前面提到的只是遲滯比較器的一種,它的伏安特性曲線是順時針旋轉(zhuǎn)的,且它的兩個閾值電壓是基于0V對稱的。當接入一個基準電壓UREF這就是更為常用的比較器。

多種形態(tài)的遲滯比較器

分析:

假設(shè)運放輸出高電平為 UOH(對理想運放來說,此值為VCC),輸出低電平為UOL,那么對輸入信號,電路有兩個比較翻轉(zhuǎn)點,較大的一個稱為UR+,較小的稱為UR-。

設(shè)正反饋系數(shù)為k,k值越接近于1,說明反饋越強烈,遲滯窗口越寬:

k=R1/R1+R2

當輸出為高電平時,翻轉(zhuǎn)點為:

U R + = UOHk + UREF ( 1 ? k )

當輸出為低電平時,翻轉(zhuǎn)點為:

U R ? = UOLk + UREF (1 ? k )

如果UOH=-UOL,即輸出對稱,可得到:

U R + = ( 1 ? k ) UREF + 0.5 U WDU

U R ? = ( 1 ? k ) UREF ? 0.5 UWU

其中,UWD代表兩個比較閾值之間的電壓寬度,或者叫窗口電壓。

UWD = UREF + ? U REF ? = ( VCC + VEE*(R1/R1+R2))

拓展:

合理地選擇電路結(jié)構(gòu),選擇電阻值,可以做出符合設(shè)計要求的遲滯比較器:可改變順逆結(jié)構(gòu),可以改變中心閾值,可以改變閾值窗口電壓。

疊加原理分析

七、TINA-TI仿真

1、過零比較器

信號源VG1上疊加一個噪聲源VG2:

過零比較器

波形如下:

過零比較器波形

過零點展開:

過零比較器波形過零點展開

2、遲滯過零比較器

加入遲滯:

遲滯過零比較器

波形如下:

遲滯過零比較器波形

過零點展開:

遲滯過零比較器過零點展開

七、特點(缺點)

  • 運放的輸出取決于供電電壓,與數(shù)字電平不一定匹配。

  • 運放存在嚴重的過驅(qū)恢復(fù)時間,不利于高速運行。

  • 運放靈敏度過高。

八、專門的比較器(實際比較器)

下面為LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊:

LM311/LM111數(shù)據(jù)手冊

TINA-TI仿真

實際比較器TINA-TI仿真

波形:

實際比較器波形圖

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原文鏈接:
https://blog.csdn.net/Cherish1ove/article/details/115283978




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