1、1第第七七章章7.5開關式穩(wěn)壓電路開關式穩(wěn)壓電路7.5.1概述概述功率半導體作為開關元件，通過周期性通斷，控制開關元件的占空比調(diào)整功率半導體作為開關元件，通過周期性通斷，控制開關元件的占空比調(diào)整輸出電壓。輸出電壓。DC/DC變換器是開關電源核心，完成功率轉(zhuǎn)換，還包括啟動變換器是開關電源核心，完成功率轉(zhuǎn)換，還包括啟動電路，濾波器，過流或過壓保護電路等組成，電路，濾波器，過流或過壓保護電路等組成，R1和和R2為取樣電路，檢測為取樣電路，檢測輸出輸出Uo變化，與基準電壓變化，與基準電壓Uref比較，進行誤差放大，比較，進行誤差放大，PWM(脈寬調(diào)制），脈寬調(diào)制），進一步通過驅(qū)動器控制功率開關器件的通

2、斷時間占空比進一步通過驅(qū)動器控制功率開關器件的通斷時間占空比（=Ton/T），從），從而調(diào)整輸出電壓的大小（而調(diào)整輸出電壓的大小（Uo=UI）。）。圖圖 7.18 7.18開關穩(wěn)壓電源的組成框圖開關穩(wěn)壓電源的組成框圖一、基本構(gòu)成一、基本構(gòu)成一次整流一次整流濾波濾波AC220VUI變換器變換器二次整流二次整流 平滑平滑DC/DC變換器Uo驅(qū)動器驅(qū)動器PWM比較放大比較放大R1R2取樣電阻控制電路Uref2第第七七章章功率半導體作為開關元件，通過周期性通斷，控制開關元件的占空比調(diào)整功率半導體作為開關元件，通過周期性通斷，控制開關元件的占空比調(diào)整輸出電壓。輸出電壓。DC/DC變換器是開關電源核心，完

3、成功率轉(zhuǎn)換，還包括啟動變換器是開關電源核心，完成功率轉(zhuǎn)換，還包括啟動電路，濾波器，過流或過壓保護電路等組成，電路，濾波器，過流或過壓保護電路等組成，R1和和R2為取樣電路，檢測為取樣電路，檢測輸出輸出Uo變化，與基準電壓變化，與基準電壓Uref比較，進行誤差放大，比較，進行誤差放大，PWM(脈寬調(diào)制），脈寬調(diào)制），進一步通過驅(qū)動器控制功率開關器件的通斷時間占空比進一步通過驅(qū)動器控制功率開關器件的通斷時間占空比（=Ton/T），從），從而調(diào)整輸出電壓的大小（而調(diào)整輸出電壓的大小（Uo=UI）。）。3二、開關穩(wěn)壓電源的特點二、開關穩(wěn)壓電源的特點功耗小，效率高功耗小，效率高 開關穩(wěn)壓電源調(diào)整管工作在

4、開關狀態(tài)，導通時，壓開關穩(wěn)壓電源調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，導通時，壓降接近零，截止時，通過的電流為零，導通到截止或截降接近零，截止時，通過的電流為零，導通到截止或截止到導通，轉(zhuǎn)換速度快，過渡過程短，所以功耗低，因止到導通，轉(zhuǎn)換速度快，過渡過程短，所以功耗低，因此電源效率得到大幅度提高。此電源效率得到大幅度提高。體積小，重量輕。體積小，重量輕。省去工頻變壓器，所以體積小，重量輕。省去工頻變壓器，所以體積小，重量輕。穩(wěn)壓范圍寬。穩(wěn)壓范圍寬。第第七七章章輸出電壓由占空比調(diào)節(jié)，受輸入電壓影響小，穩(wěn)壓范圍寬。輸出電壓由占空比調(diào)節(jié)，受輸入電壓影響小，穩(wěn)壓范圍寬。安全可靠安全可靠開關穩(wěn)壓電源設有自動保護電路，穩(wěn)

5、壓電路或者負載短路開關穩(wěn)壓電源設有自動保護電路，穩(wěn)壓電路或者負載短路時，自動切換電源，保護功能靈敏可靠。時，自動切換電源，保護功能靈敏可靠。4干擾較大干擾較大開關穩(wěn)壓電源工作在開關狀態(tài)，開關頻率很高，濾波電容的容量可開關穩(wěn)壓電源工作在開關狀態(tài)，開關頻率很高，濾波電容的容量可以以大大減小。大大減小。第第七七章章濾波電容容量小濾波電容容量小開關穩(wěn)壓電源工作在開關狀態(tài)，交變電壓或電流會通過開關調(diào)整管，開關穩(wěn)壓電源工作在開關狀態(tài)，交變電壓或電流會通過開關調(diào)整管，整流管，高頻變壓器等，容易產(chǎn)生尖峰干擾和調(diào)波干擾。整流管，高頻變壓器等，容易產(chǎn)生尖峰干擾和調(diào)波干擾。二、開關穩(wěn)壓電源的分類二、開關穩(wěn)壓電源的分

6、類按所用開關器件分類按所用開關器件分類功率晶體管，可控硅，功率功率晶體管，可控硅，功率MOSFET（金屬氧化層半導體場效應）（金屬氧化層半導體場效應）管，管，IGBT（絕緣柵雙機晶體管）等。（絕緣柵雙機晶體管）等。5第第七七章章 按儲能元件和開關功率管的關系按儲能元件和開關功率管的關系串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。 按開關元器件的激勵方式按開關元器件的激勵方式自激和它激兩種方式。開關管完成開關轉(zhuǎn)換，也參與震蕩，是自激自激和它激兩種方式。開關管完成開關轉(zhuǎn)換，也參與震蕩，是自激式開關電源；它激式開關管僅完成開關轉(zhuǎn)換。式開關電源；它激式開關管僅完成開關轉(zhuǎn)換。按穩(wěn)壓控制方式按穩(wěn)壓控制方式按輸

7、出直流電壓大小可以分升壓式和降壓式。按輸出直流電壓大小可以分升壓式和降壓式。脈沖寬度調(diào)制方式（脈沖寬度調(diào)制方式（PWM）：電源輸出正比于開關管導通時間）：電源輸出正比于開關管導通時間Ton，反比于開關脈沖周期反比于開關脈沖周期T，穩(wěn)壓過程是：通過取樣比較，將誤差值放大后，穩(wěn)壓過程是：通過取樣比較，將誤差值放大后制制Ton或者或者T，即改變占空比，控制輸出，即改變占空比，控制輸出Uon，達到穩(wěn)壓目的；脈沖頻率，達到穩(wěn)壓目的；脈沖頻率調(diào)制方式（調(diào)制方式（PFM)：通過反饋控制開關脈沖頻率，將輸出電壓變化取樣比：通過反饋控制開關脈沖頻率，將輸出電壓變化取樣比較，將誤差值放大后控制開關脈沖周期，是輸出

8、電壓穩(wěn)定；較，將誤差值放大后控制開關脈沖周期，是輸出電壓穩(wěn)定；PWM和和PFM混合式。混合式。6第第七七章章按開關管連接方式按開關管連接方式單端式推挽式半橋式全橋式按隔離和耦合方式按隔離和耦合方式變壓器耦合光電耦合7一一.基本構(gòu)成基本構(gòu)成串聯(lián)開關電源換能電路如圖串聯(lián)開關電源換能電路如圖7.19，VT做開關管，扼流圈做開關管，扼流圈L為儲能電感，為儲能電感，VD續(xù)流二極管，續(xù)流二極管，C2起平滑濾波作用起平滑濾波作用。圖圖 6.1.5第第七七章章7.5.2串聯(lián)開關電源串聯(lián)開關電源2開關控制信號送入開關控制信號送入VT基極，基極，VT飽飽和，和，VD截止，電流經(jīng)截止，電流經(jīng)L存儲磁能并存儲磁能并流

9、過負載，圖中實線所示。流過負載，圖中實線所示。VT截止截止時，時，L中電流不能突變，中電流不能突變，VD導通，導通，L將磁能以電流形式釋放，經(jīng)負載和將磁能以電流形式釋放，經(jīng)負載和VD形成回路，虛線所示。形成回路，虛線所示。C2起濾波起濾波作用，當作用，當L中電流增長或減少時，電中電流增長或減少時，電容存儲過剩電荷或補充負載缺少電容存儲過剩電荷或補充負載缺少電荷，從而減少荷，從而減少Uo紋波。紋波。8L4970A是意法半導體公司推出的第二代單是意法半導體公司推出的第二代單片開關式穩(wěn)壓器。片開關式穩(wěn)壓器。L4970A原理框圖原理框圖第第七七章章二二.典型應用典型應用9第第七七章章PWM控制環(huán)路，把

10、反饋電壓與控制環(huán)路，把反饋電壓與5.1V基準電壓比基準電壓比較，較，產(chǎn)生誤差電壓產(chǎn)生誤差電壓Vr；再講；再講Vr與鋸齒波電壓與鋸齒波電壓VJ 比較，獲得比較，獲得固定頻率的調(diào)制信號，經(jīng)驅(qū)動級驅(qū)動固定頻率的調(diào)制信號，經(jīng)驅(qū)動級驅(qū)動DMOS功率管，最功率管，最后利用由后利用由L,VD,C構(gòu)成的降壓式輸出電路，得到穩(wěn)定輸出構(gòu)成的降壓式輸出電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。電壓。內(nèi)部主電路分析：內(nèi)部主電路分析：限流保護電路限流保護電路，取樣電阻和限流比較器組成。當，取樣電阻和限流比較器組成。當輸出電流超過最大限流值時，限流比較器就輸出高電平，輸出電流超過最大限流值時，限流比較器就輸出高電平，將觸發(fā)器置將觸發(fā)器置1

11、，再經(jīng)過或非門變成低電平，使驅(qū)動級和，再經(jīng)過或非門變成低電平，使驅(qū)動級和DMOS功率管截止。僅當內(nèi)部功率管截止。僅當內(nèi)部40Khz振蕩器的時鐘脈沖振蕩器的時鐘脈沖CL1到來時，才能使觸發(fā)器置到來時，才能使觸發(fā)器置0，DMOS重新導通。發(fā)生重新導通。發(fā)生過載后，保護電路使得芯片保持恒定電流輸出，而且降過載后，保護電路使得芯片保持恒定電流輸出，而且降低開關頻率（低開關頻率（200Khz降至降至40Khz），保護芯片。），保護芯片。10L4970A芯片內(nèi)部主要由基準電壓源、鋸齒波發(fā)生芯片內(nèi)部主要由基準電壓源、鋸齒波發(fā)生器、器、40kHz振蕩器、誤差放大器、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和比較器和P

12、WM鎖存器、驅(qū)動級、鎖存器、驅(qū)動級、DMOS開關管、兩級或開關管、兩級或門構(gòu)成觸發(fā)器、或非門、欠過壓檢測、限流取樣門構(gòu)成觸發(fā)器、或非門、欠過壓檢測、限流取樣電阻電阻Rs、限流比較器、過熱保護、軟起動以及掉、限流比較器、過熱保護、軟起動以及掉電復位等組成，其它的內(nèi)部電路自己分析。電復位等組成，其它的內(nèi)部電路自己分析。第第七七章章11第第七七章章L4970A應用電路應用電路12*各針腳接法各針腳接法3腳：復位輸入端，接內(nèi)部復位和掉電電路，此端電壓需設定成腳：復位輸入端，接內(nèi)部復位和掉電電路，此端電壓需設定成51V，可通過電阻分壓器接可通過電阻分壓器接Ui或或Uo，監(jiān)視，監(jiān)視Ui或或Uo是否掉電。若

13、不用，須經(jīng)是否掉電。若不用，須經(jīng)30k電阻電阻接接15腳。腳。 4腳：復位輸出端，集電極開路輸出，常態(tài)下輸出呈高電平，當腳：復位輸出端，集電極開路輸出，常態(tài)下輸出呈高電平，當Ui 5腳：復位延遲端，外接復位電容腳：復位延遲端，外接復位電容Cd，以決定復位信號的延遲時間。，以決定復位信號的延遲時間。 6腳：自舉端，經(jīng)自舉電容腳：自舉端，經(jīng)自舉電容Cb接至接至Uo，可提升功率驅(qū)動級的電壓，增加驅(qū)動，可提升功率驅(qū)動級的電壓，增加驅(qū)動DMOS開關功率管的能力，獲得大電流輸出。開關功率管的能力，獲得大電流輸出。 7腳：輸出端腳：輸出端Uo，固定輸出，固定輸出51V，可調(diào)輸出時需外接電阻分壓器給，可調(diào)輸出

14、時需外接電阻分壓器給11腳。腳。 8腳：公共地腳：公共地GND與小散熱器與小散熱器連接。連接。 9腳：輸入端腳：輸入端Ui。 10腳：頻率補償端，外接腳：頻率補償端，外接RC網(wǎng)絡，對誤差放大網(wǎng)絡，對誤差放大器進行補償。器進行補償。 11腳：反饋輸入端，直接接腳：反饋輸入端，直接接Uo時輸出電壓時輸出電壓Uo為固定為固定51V，如果經(jīng)分壓器時如果經(jīng)分壓器時Uo可獲得可獲得40V以下的輸出電壓。以下的輸出電壓。 12腳：軟起動端，外接起腳：軟起動端，外接起動電容動電容Cs，以決定軟起動時間。，以決定軟起動時間。 13腳：同步輸入端，用于多片同時使腳：同步輸入端，用于多片同時使用。用。 14腳：內(nèi)部

15、腳：內(nèi)部51V基準電壓輸出端。基準電壓輸出端。 15腳：驅(qū)動級起動電路的引出端，腳：驅(qū)動級起動電路的引出端，接內(nèi)部接內(nèi)部12V基準電壓。基準電壓。第第七七章章13*輸出電壓輸出電壓Uo的確定的確定輸出電壓為：輸出電壓為：分析時，注意的是分析時，注意的是R8上端接的是上端接的是11腳，然后看原理腳，然后看原理圖，分析這是的壓降圖，分析這是的壓降。第第七七章章）（）（VRRU1 . 51o8714第第七七章章7.5.3并聯(lián)開關電源并聯(lián)開關電源一一.基本構(gòu)成基本構(gòu)成并聯(lián)開關電源換能電路如圖并聯(lián)開關電源換能電路如圖7.21，儲能電感，負載和輸入電壓是并聯(lián)儲能電感，負載和輸入電壓是并聯(lián)的的。VT飽和導通

16、時，飽和導通時，UI給電感給電感L儲能，同儲能，同時時L自感電動勢使自感電動勢使VD截止。截止。VT截止時，截止時，L自感使自感電動勢極性立即改變，自感使自感電動勢極性立即改變，VD導通，導通，L通過通過VD釋放能量向釋放能量向C2充充電，并同時向負載供電。當電，并同時向負載供電。當VT再次飽再次飽和導通時，和導通時，L儲能，儲能，VD反向截止，電反向截止，電容容C2向負載供電，負載上獲得連續(xù)能向負載供電，負載上獲得連續(xù)能量。既量。既VT導通期間，導通期間，L儲能，電容儲能，電容C2向負載供電；向負載供電；VT截止時，截止時，L釋放能量釋放能量對對C2充電，同時向負載供電；充電，同時向負載供電

17、；L，C2同時具備濾波作用，使得輸出波形平同時具備濾波作用，使得輸出波形平滑。滑。156.1.3LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 一、一、LC 諧振回路的頻率特性諧振回路的頻率特性當頻率變化時，并聯(lián)電路阻抗當頻率變化時，并聯(lián)電路阻抗的大小和性質(zhì)都發(fā)生變化。的大小和性質(zhì)都發(fā)生變化。并聯(lián)電路的導納：并聯(lián)電路的導納：當當電路發(fā)生電路發(fā)生并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 圖圖 6.1.10第六章第六章16并聯(lián)諧振角頻率并聯(lián)諧振角頻率LCLR11)(1200 令：令：RLQ0 諧振回路的品質(zhì)因數(shù)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)當當 Q 1 時時LC10

18、LCf 210諧振頻率：諧振頻率：第六章第六章17)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ 回路回路等效阻抗等效阻抗：RCLYZ 001LC 并聯(lián)回路的阻抗：并聯(lián)回路的阻抗：發(fā)生并聯(lián)諧振時，發(fā)生并聯(lián)諧振時，LC10 在諧振頻率附近，在諧振頻率附近，)1(j12200 QZZ可見，可見，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。第六章第六章18Z 0 不同不同 Q 值時，值時，LC 并聯(lián)并聯(lián)電路的幅頻特性：電路的幅頻特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2相頻特性：相頻特性： 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2純阻性純阻性結(jié)論：結(jié)論：1.

19、 當當 f = f0 時，電路為純電阻時，電路為純電阻性，等效阻抗最大；性，等效阻抗最大； LC 并聯(lián)電路并聯(lián)電路具有選頻特性。具有選頻特性。2. 電路的品質(zhì)因數(shù)電路的品質(zhì)因數(shù) Q 愈大，愈大，選頻特性愈好。選頻特性愈好。圖圖 6.1.11第六章第六章19諧振時諧振時 LC 回路中的電流回路中的電流ULRLUCI20200C)( 電容支路的電流：電容支路的電流：并聯(lián)回路的輸入電流：并聯(lián)回路的輸入電流：ULRRI202)( 所以：所以：IQI C當當 Q 1 時，時，IICIILLCII 結(jié)論結(jié)論：諧振時，電容支路的電流與電感支路的電流大：諧振時，電容支路的電流與電感支路的電流大小近似相等，而諧

20、振回路的輸入電流極小。小近似相等，而諧振回路的輸入電流極小。第六章第六章20若以若以LC并聯(lián)網(wǎng)絡作為共射放大電路的集電極負載并聯(lián)網(wǎng)絡作為共射放大電路的集電極負載beurZA當當f = f0時，電壓放大倍時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且無附數(shù)的數(shù)值最大，且無附加相移。因而電路稱為加相移。因而電路稱為選頻放大電路選頻放大電路若增加若增加正反饋正反饋，并用反饋，并用反饋電壓取代輸入電壓，則電電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振蕩電路路就成為正弦波振蕩電路LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路變壓器反饋式變壓器反饋式電感反饋式電感反饋式電容反饋式電容反饋式第六章第六章選頻放大電路選頻放大電路21二、變壓器

21、反饋式振蕩電路二、變壓器反饋式振蕩電路1.工作原理工作原理用瞬時極性判斷為用瞬時極性判斷為正反正反饋饋，所以滿足振蕩的相位平，所以滿足振蕩的相位平衡條件。衡條件。 - - 2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率和起振條件LCf 210振蕩頻率振蕩頻率起振條件起振條件MCRr be 圖圖 6.1.14變壓器反饋式變壓器反饋式振蕩電路振蕩電路第六章第六章22三、電感反饋式振蕩電路三、電感反饋式振蕩電路1.電路組成電路組成用瞬時極性判斷用瞬時極性判斷為為正反饋正反饋，所以滿足，所以滿足振蕩的相位平衡條件。振蕩的相位平衡條件。- - - - -2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率和起振條件CMLLLCf)2(212

22、1210 振蕩頻率振蕩頻率起振條件起振條件RrMLML be21 圖圖 6.1.17第六章第六章23四、電容反饋式振蕩電路四、電容反饋式振蕩電路1.電路組成電路組成用瞬時極性判斷用瞬時極性判斷為為正反饋正反饋，所以滿足，所以滿足自激振蕩的相位平衡自激振蕩的相位平衡條件。條件。2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率和起振條件212102121CCCCLLCf 振蕩頻率振蕩頻率起振條件起振條件RrCC be12 圖圖 6.1.20 - - - - - - -第六章第六章24電容反饋式改進型振蕩電路電容反饋式改進型振蕩電路210111121CCCLf 振蕩頻率振蕩頻率選擇選擇 C C1， C C2，則：則：

23、LCf 210減小了三極管極間電容對振蕩頻率的影響，減小了三極管極間電容對振蕩頻率的影響，適用于適用于產(chǎn)生高頻振蕩。產(chǎn)生高頻振蕩。圖圖 6.1.22第六章第六章25若要求電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率高達若要求電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率高達100MHz，怎么辦？，怎么辦？采用共基放大電路采用共基放大電路如何分析？如何分析？第六章第六章26名稱名稱變壓器反饋式變壓器反饋式電感反饋式電感反饋式電容反饋式電容反饋式電容反饋式改進型電容反饋式改進型電電路路形形式式振蕩頻率振蕩頻率起振條件起振條件同左同左頻率調(diào)節(jié)方頻率調(diào)節(jié)方法及范圍法及范圍頻率可調(diào)，范圍頻率可調(diào)，范圍較寬。較寬。同左同左頻率可調(diào)，范頻率

24、可調(diào)，范圍較小。圍較小。同左同左振蕩波形振蕩波形一般一般較差較差好好好好頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度可達可達 10-4同左同左可達可達 10-4 10-5可達可達 10-5適用頻率適用頻率幾千赫幾千赫 幾十兆幾十兆赫赫同左同左幾兆赫幾兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左各種各種 LC 振蕩電路的比較振蕩電路的比較LC210 fCM2LL21f210)( 21210CCCCL21f 210C1C1C11L21f MCRr beRrMLML21 ebRrCC12 eb276.1.4石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，具有非常石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，具有非常穩(wěn)定的固有頻率。穩(wěn)定的固有

25、頻率。一、一、石英晶體的特點石英晶體的特點壓電效應壓電效應：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應的生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應的方向上會產(chǎn)生一定的電場。方向上會產(chǎn)生一定的電場。壓電諧振壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。頻率時，振幅突然增加。1.壓電效應和壓電振蕩壓電效應和壓電振蕩第六章第六章282.等效電路和振蕩頻率等效電路和振蕩頻率符號：符號：串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率LCf 21s并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率0s00p121CCfC

26、CCCLf 電抗頻率特性電抗頻率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性圖圖 6.1.27圖圖 6.1.28第六章第六章29二、石英晶體正弦波振蕩電路二、石英晶體正弦波振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路交流等效電路交流等效電路振蕩頻率振蕩頻率pfCCCCCCLf000)(21 2121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf 圖圖 6.1.29第六章第六章302.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖圖 6.1.30串聯(lián)型石英晶串聯(lián)型石英晶體振蕩電路體振蕩電路當振蕩頻率等于當振蕩頻率等于 fS 時，時，晶體阻抗最小，且為純電晶體阻抗最小，且為純

27、電阻，此時正反饋最強，相阻，此時正反饋最強，相移為零，電路滿足自激振移為零，電路滿足自激振蕩條件。蕩條件。振蕩頻率振蕩頻率s0ff 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) R 可改變反饋的強弱，以獲得良好的正弦波。可改變反饋的強弱，以獲得良好的正弦波。第六章第六章316.2電壓比較器電壓比較器1.電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電 壓 進 行 比 較 ， 輸 出 只 有 兩 種 可 能 的 狀 態(tài) ： 高電 壓 進 行 比 較 ， 輸 出 只 有 兩 種 可 能 的 狀 態(tài) ： 高電平或低電平。電平或低電平。2.比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于比較器中的集成運放一般

28、工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。6.2.1概述概述4.比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在 測量、控制、測量、控制、D/A和和A/D轉(zhuǎn)換電路中應用廣泛。轉(zhuǎn)換電路中應用廣泛。第六章第六章32一、一、 電壓比較器的傳輸特性電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關系電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關系)(OIufu2.閾值電壓閾值電壓： UT當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所當比較器的

29、輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。對應的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平輸出電壓的高電平UOH和低電平和低電平UOL的數(shù)值。的數(shù)值。(2)閾值電壓的數(shù)值閾值電壓的數(shù)值UT。(3)當當uI變化且經(jīng)過變化且經(jīng)過UT時，時， uO躍變的方向。躍變的方向。第六章第六章33二、理想運放的非線性工作區(qū)二、理想運放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP uN NO UOM集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運放不是工作在開環(huán)在電壓比較器中，集成運放不是工作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。狀態(tài)，就是工作在正反饋。第六章第六章346

30、.2.2單門限比較器單門限比較器一、過零比較器一、過零比較器由于理想運放的開環(huán)差模由于理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以增益為無窮大，所以當當 uI 0 時，時，uO = - - UOM ；過零比較器的過零比較器的傳輸特性傳輸特性為：為：uIuO+UOM- -UOMOUOM 為集成運放的最大輸出電壓。為集成運放的最大輸出電壓。閾值電壓閾值電壓：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)楫敱容^器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。另一種狀態(tài)所對應的輸入電壓。圖圖6.2.3第六章第六章35利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器設任何一個穩(wěn)壓管被反向設任何一個穩(wěn)壓管被反向擊

31、穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 UZ UOMuIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ當當 uI 0 時，右邊的穩(wěn)壓管時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，被反向擊穿，uO = - - UZ ；圖圖 6.2.6第六章第六章36利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二二)電路圖電路圖傳輸特性傳輸特性uIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ問題：如將輸入信號加在問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？端，傳輸特性如何？第六章第六章37問題：問題：過零比較器如圖所示，過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸入為正負對稱的正

32、弦波時，輸出波形是怎樣的？輸出波形是怎樣的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL傳輸特性傳輸特性uIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾▽⒄也ㄗ優(yōu)榫匦尾ǖ诹碌诹?8二、單門限比較器二、單門限比較器單限比較器有一個門限單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等于此門電平，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。即發(fā)生跳變。當輸入電壓當輸入電壓 uI 變化，使反相變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOM- -UOMO+UZ-

33、-UZREF12URR過零比較器是門限電平為零過零比較器是門限電平為零的單限比較器。的單限比較器。圖圖 6.2.7R1R2第六章第六章REF21TURRuUIREF12URR39存在干擾時單限比較器的存在干擾時單限比較器的 uI、uO 波形波形單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號是否達到：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。某一給定電平。缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。解決辦法解決辦法：采用具有采用具有滯回滯回 傳輸特傳輸特性的比較器。性的比較器。第六章第六章40電壓比較器分析方法小結(jié)電壓比較器分析方法小結(jié)（1）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平）由限幅電路確定電

34、壓比較器的輸出高電平UOH和輸出低電平和輸出低電平UOL 。（2）寫出）寫出up和和uN的電位表達式，令的電位表達式，令up=uN ，解得輸，解得輸入電壓就是閾值電壓入電壓就是閾值電壓UT。（3） u0在在uI 過過UT時的躍變方向決定于作用于集成運放的哪時的躍變方向決定于作用于集成運放的哪 個輸入端。個輸入端。當當uI從反向輸入端輸入時，從反向輸入端輸入時，uIUT ,u0=U0L 。反之，結(jié)論相反。反之，結(jié)論相反。第六章第六章41例例6.2.1在圖在圖6.2.6所示電路中，所示電路中，UZ=6V ，在圖在圖6.2.7中中所示電路中，所示電路中， R1= R2 =5k ，基準電壓，基準電壓U

35、REF=2V ，穩(wěn)壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5V ；它們的輸入電壓均為圖；它們的輸入電壓均為圖6.2.8（a）所示的三角波。試畫出圖所示的三角波。試畫出圖6.2.6所示電路的輸出電壓所示電路的輸出電壓u01和和圖圖6.2.7所示電路的輸出電壓所示電路的輸出電壓u02 解解圖圖6.2.8例例6.2.1波形圖波形圖第六章第六章圖圖8.2.6為過零比較器為過零比較器圖圖6.2.7為一般單限比較器。為一般單限比較器。VURRU2REF21TREF21TURRuUIREF12URR426.2.3滯回比較器滯回比較器一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路計算閾

36、值電壓計算閾值電壓UTZ211TURRRU電壓傳輸特性電壓傳輸特性uo從從+ +UZ躍變到躍變到- -UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為+UTuo從從- -UZ躍變到躍變到+ +UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為-UTuI在在-UT與與+UT之間增加或減小之間增加或減小, uO不發(fā)生變化不發(fā)生變化第六章第六章43UREF 為參考電壓；為參考電壓； uI 為輸入電壓；輸出電為輸入電壓；輸出電壓壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ。當當 uP = uN N 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。ZFREFFFuRRRURRRu222P 比較器有兩個不同的門限電平，比較器有兩個不同的門

37、限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +圖圖 6.2.10滯回比較器滯回比較器二、加了參考電壓的二、加了參考電壓的滯回比較器滯回比較器第六章第六章44若若 uO= UZ ，當，當 uI 逐漸減小逐漸減小時，使時，使 uO 由由 UZ 跳跳變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (門限寬度門限寬度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，當，當 uI 逐漸增大逐漸增大時，使時，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變?yōu)闉?- -UZ 所需的門限

38、電平所需的門限電平 UT+ZF22REFF2FTURRRURRRU 第六章第六章45例例6.2.2已知輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。已知輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。圖圖6.2.11例例6.2.2波形圖波形圖uO /Vt0+9-9+9uIuO - -9O-3+3第六章第六章圖圖6.2.9滯回比較器滯回比較器466.2.4 窗口比較器窗口比較器參考電壓參考電壓 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，運放，運放 A1 輸出低電平，輸出低電平，A2 輸出高電平，二輸出高電平，二極管極管 VD1 截止，截止，VD2導通，輸出導通，輸出電壓電壓 uO 為高

39、電平；為高電平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，運放，運放 A1 輸出高電平，輸出高電平，A2 輸出低電平，輸出低電平，二極管二極管 VD2 截止，截止，VD1 導通，輸出電壓導通，輸出電壓 uO 為高電平；為高電平；圖圖 6.2.13雙限比較器雙限比較器( (a) )前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。第六章第六章47當當 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 時時 ，運放，運放 A1、 A2 均輸出均輸出低電

40、平，二極管低電平，二極管 VD1 、VD2 均均截止，輸出電壓截止，輸出電壓 uO 為低電平；為低電平；上門限電平上門限電平 URH = UREF1 下門限電平下門限電平 URL = UREF2uIuOOUREF1UREF2綜上所述，雙限比較器在輸入信號綜上所述，雙限比較器在輸入信號 uI UREF1 時，輸出為高電平；而當時，輸出為高電平；而當 UREF2 uI UREF1 時，輸時，輸出為低電平。出為低電平。圖圖 6.2.13( (b) )第六章第六章486.2.5集成電壓比較器集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類：一、集成電壓比較器的主要特點和分類：1. 具有較高的開環(huán)差模增

41、益；具有較高的開環(huán)差模增益；2. 具有較快的響應速度；具有較快的響應速度；3. 具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4. 具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。分類：分類：單、雙和四電壓比較單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型第六章第六章49二、集成電壓比較器的基本接法二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器通用型集成電壓比較器AD790第六章第六章引腳

42、圖引腳圖+12V單單電源供電源供電，邏電，邏輯電源輯電源為為5V。5V雙電雙電源供電，源供電，邏輯電源邏輯電源為為5V。1 15V雙雙電源供電，電源供電，邏輯電源邏輯電源為為5V。502.集電極開路集成電壓比較器集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝的管腳圖金屬封裝的管腳圖電路為雙限比較器，電路為雙限比較器，能實現(xiàn)線與功能能實現(xiàn)線與功能圖圖6.2.16由由LM119構(gòu)成的雙限比較器及構(gòu)成的雙限比較器及其電壓傳輸特性其電壓傳輸特性第六章第六章516.3非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路非正弦波非正弦波：矩形波、三角波、尖頂波和階梯波等矩形波、三角波、尖頂波和階梯波等圖圖6.3.1幾種常見的非正

43、弦波幾種常見的非正弦波第六章第六章526.3.1矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路一、電路組成一、電路組成RC 充放電充放電回路回路滯回滯回比較器比較器圖圖 6.3.2滯回比較器：集成運放、滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：充放電回路：R、C；（延遲環(huán)節(jié)、反饋網(wǎng)絡）（延遲環(huán)節(jié)、反饋網(wǎng)絡）鉗位電路：鉗位電路：VDZ、R3。（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）第六章第六章53二、工作原理二、工作原理設設 t = 0 時，時，uC = = 0，uO = + UZ則則Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 當當 u = uC = u+ 時，時，t1t2Z2

44、11URRRu 則則當當 u = uC = u+ 時，輸出又時，輸出又一次跳變，一次跳變， uO = + UZ輸出跳變，輸出跳變， uO = UZ圖圖 6.3.42T2T第六章第六章54三、振蕩周期三、振蕩周期電容的充放電規(guī)律：電容的充放電規(guī)律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 對于放電，對于放電，Z211) 0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 結(jié)論：改變充放電回路的結(jié)論：改變充放電回路的時間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。時間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR

45、OuOZU ZU tt3圖圖 6.3.4振蕩頻率振蕩頻率f=1/TZ211)2(URRRTuC第六章第六章55四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路圖圖 6.3.5a使電容的充、放電時間常數(shù)不使電容的充、放電時間常數(shù)不同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的占空比可調(diào)。占空比可調(diào)。tOuCuOtOT1T2T充電時間充電時間 T1放電時間放電時間 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比占空比 DWW12RRRRTTD 圖圖 6.3.5b第六章第六章566.5.2三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路一、電路組成一

46、、電路組成圖圖6.3.6采用波形變換的方法得到三角波采用波形變換的方法得到三角波uO1為方波為方波電路分析電路分析uO2為三角波為三角波)()( )(d1OO01IOOIOtuttRCUtutuRCu第六章第六章57二、工作原理二、工作原理當當 u+ = u = 0 時，滯回比較時，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。器的輸出發(fā)生跳變。圖圖 6.3.8o2121o211uRRRuRRRu實用電路實用電路Z21TURRU閾值電壓左邊是同相輸入滯回比較器左邊是同相輸入滯回比較器右邊為反向積分運算電路右邊為反向積分運算電路圖圖 6.3.7R3R4傳輸特性傳輸特性 +UT -UT +UZ -UZuOuI第六章第六章58二、工作原理二、工作原理OuO1ZU ZU tOuOomU omU t當當 u+ = u = 0 時，滯回比較時，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。器的輸出發(fā)生跳變。圖圖 6.3.9o212