3.1電壓比較器

3.1.1電壓比較器的基本特性電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當于數字電路中的邏輯“1”，低電平相當于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個狀態，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態。注意：在運算電路中所使用的“虛地”概念在非線性條件下不滿足；只在臨界狀態時才可使用。3.1電壓比較器3.1.1電壓比較器的基本特性1圖3.1.1電壓比較器的符號及傳輸特性圖3.1.1電壓比較器的符號及傳輸特性2

1.高電平(UoH)和低電平(UoL)

電壓比較器可以用運放構成，也可用專用芯片構成。用運放構成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負電源電壓(-UEE)。專用比較器的輸出電平一般與數字電路兼容，即UoH＝3.4V左右，UoL＝－0.4V左右。

2.鑒別靈敏度在實際電路中，集成運放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附近的一個很小范圍內存在著一個比較器的不靈敏區。如圖3.1.1(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內輸出狀態既非UoH，也非UoL，故無法實現對輸入電平大小進行判別。Aud越大，則這個不靈敏區就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。1.高電平(UoH)和低電平(Uo3

3.轉換速度轉換速度是比較器的另一個重要特性，即比較器的輸出狀態產生轉換所需要的時間。通常要求轉換時間盡可能短，以便實現高速比較。比較器的轉換速度與器件壓擺率SR有關，SR越大，輸出狀態轉換所需的時間就越短，比較器的轉換速度越高。3.轉換速度4

3.1.2電壓比較器的開環應用––簡單比較器

1.過零比較器

令參考電平ur=0。若Ui＞0，uo=UoL若Ui＜0，uo=UoH這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規則的輸入波形整形成規則的矩形波。問題：若參考電平ur≠0。而是接參考電壓UREF，輸出波形會有什么樣的變化？3.1.2電壓比較器的開環應用––簡單比較器問題5圖3.1.2過零比較器及脈寬調制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調制器輸出波形圖3.1.2過零比較器及脈寬調制器輸出波形6第三章__電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關課件7【例3.1.1】電路及輸入信號波形分別如圖3.1.3(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容，試分別畫出和的波形圖。【例3.1.1】電路及輸入信號波形分別如圖3.8

3.1.3遲滯比較器––正反饋比較器––雙穩態觸發器1.簡單比較器應用中存在的問題一是輸出電壓轉換時間受比較器翻轉速度（壓擺率SR）的限制，導致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖3.1.5(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖3.1.5(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產生錯誤的跳變，直至ui遠離ur值才穩定下來。如果對受干擾的uo波形去計數，計數值必然會多出許多，從而造成極大的誤差。3.1.3遲滯比較器––正反饋比較器––雙穩態觸9圖3.1.5簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭(b)受干擾情況圖3.1.5簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況10

2.遲滯比較器電路及傳輸特性

為了解決以上兩個問題，可將比較器設置兩個閾值，只要干擾信號不超過這兩個閾值，比較器就不會跳變，從而提高比較器的抗干擾能力。利用這種思想設計出來的電壓比較器稱為遲滯比較器，或稱施密特觸發器。電路是在簡單比較器基礎上增加了正反饋電路實現的。正反饋也加快了翻轉速度。

2.遲滯比較器電路及傳輸特性111)反向輸入的遲滯比較器

R2將uo反饋到運放的同相端與R1一起構成正反饋，其正反饋系數F為上門限電壓下門限電壓1)反向輸入的遲滯比較器上門限電壓下門限電壓12該電路傳輸特性分析：因為信號加在運放反相端，所以ui為負時，uo必為正，且等于高電平UoH=UCC。此時，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:(3.1.2)當ui由負逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時，輸出將由高電平轉換為低電平。我們稱uo從高到低所對應的ui轉換電平為上門限電壓，記為UTH。即(3.1.3)該電路傳輸特性分析：(3.1.2)當ui由負逐漸向正變化，13

而后，ui再增大，uo將維持在低電平。注意此時比較器的參考電壓Ur也將發生變化，即(3.1.4)可見，當ui由正變負的比較電平將是Ur2(負值)，故只有當ui變得比Ur2更負時，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL，即(3.1.5)特點：輸出端從高電平跳變到低電平對應的閾值電壓與從低電平跳變到高電平對應的閾值電壓不同！而后，ui再增大，uo14綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如圖3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，因此稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用ΔU表示：(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比較器的抗干擾能力。綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如15如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀態跳變的輸入電壓不發生在同一電平上，當ui上疊加有干擾信號時，只要該干擾信號的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會導致比較器輸出狀態的錯誤跳變。應該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉換。如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀16圖3.1.7遲滯比較器輸出波形圖3.1.7遲滯比較器輸出波形17

2)同相輸入遲滯比較器電路如圖3.1.8(a)所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態才發生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為

(3.1.7)(3.1.8)2)同相輸入遲滯比較器(3.1.718其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。遲滯比較器又名施密特觸發器或雙穩態電路，它有兩個狀態，且具有記憶功能。圖3.1.8同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性(a)電路；(b)傳輸特性曲線其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。19【例3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖3.1.9(b)所示，試畫出uo1

、uo2的波形圖。圖3.1.9電路圖與波形圖【例3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui20解：A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特性如圖3.1.10(a)、(b)所示。波形如圖3.1.9(c)所示。波形如圖3.1.9(d)所示。圖3.1.10A1、A2傳輸特性解：A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特21

3.2弛張振蕩器弛張振蕩器即方波–三角波產生器。對于方波信號發生器，其狀態有時維持不變，而有時則發生突跳。為區別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號發生器稱之為弛張振蕩器。弛張振蕩器必須是一個正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態記憶電路;另一部分是定時電路，即控制狀態轉換時間的電路。如圖3.2.1所示，一般用遲滯比較器作為狀態記憶電路，而用積分器作為定時電路。3.2弛張振蕩器22圖3.2.1弛張振蕩器框圖圖3.2.1弛張振蕩器框圖23

3.2.1單運放弛張振蕩器單運放將狀態記憶電路和定時電路集中在一起，如圖3.2.2(a)所示，其中帶正反饋的運放構成遲滯比較器，RC構成積分器即定時電路。其波形如圖3.2.2(b)所示。圖3.2.2單運放弛張振蕩器電路及波形3.2.1單運放弛張振蕩器圖3.2.2單運放24假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數規律上升，并趨向UoH。此時，運放同相端電壓U+為(3.2.1)

該電壓為比較器的參考電平。當uC上升到該電平值時，即U-=U+，則輸出狀態要發生翻轉，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時的U+記為高門限電壓UTH：(3.2.2)假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始25

一旦Uo變為低電平，電容開始放電，后又反充電，uC以指數規律下降，并趨向UoL。但是，因為此時的U+變為另一個參考電平(下門限電壓)

當uC下降到UTL時，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復始，運放輸出為方波，其峰峰值為

(3.2.3)(3.2.4)一旦Uo變為低電平，電容開始放電，26電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)

因為電容充電和放電時常數均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。現在來計算振蕩頻率f0。首先計算時間T1。如圖3.2.2(b)所示，根據三要素法，電容電壓uC(t)為(3.2.6)電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)27(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得28

改變時常數RC及正反饋系數，比值均可改變振蕩頻率。(3.2.8)改變時常數RC及正反饋系數，29

3.2.2雙運放構成的弛張振蕩器如圖3.2.3所示，運放A1構成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過來三角波又去控制遲滯比較器的狀態轉換，周而復始形成振蕩，其波形如圖3.2.4所示。圖3.2.3雙運放方波–三角波振蕩器3.2.2雙運放構成的弛張振蕩器圖30圖3.2.4雙運放方波–三角波振蕩器輸出波形圖3.2.4雙運放方波–三角波振蕩器輸出波形31

1.uo1和uo2幅度的計算1)uo1的幅度由圖可見，uo1的高電平UoH=UCC，低電平UoL=-UEE，所以其峰峰值為(3.2.9)

uo2為三角波。當uo1為高電平時，C充電，充電電流(α為電位器RW的分壓比)，uo2隨時間線性下降。再看A1，其反相端接地，當U+過零時，A1輸出狀態翻轉，而U+等于uo1和uo2的疊加，即1.uo1和uo2幅度的計算(3.2.9)32

2)uo2的幅度同理，當uo2為低電平時，C反充電，充電電流，uo2隨時間線性上升，當U+再次過零時，算出2)uo2的幅度33(3.2.10)(3.2.10)34

2.頻率f0的計算我們知道，在T1時間間隔內，電容C的電壓增量由式ΔUC=ΔQ/C計算得

(3.2.11)2.頻率f0的計算(3.2.11)35uo(t)t0UoHRbCRaCUoL－＋AuoR3R1R2aCbV1V2RWRbRa占空比可調：調節電位器抽頭的位置，充放電時常數就不等。uo(t)t0UoHRbCRaCUoL－＋AuoR3R1R236圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或-UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認為DZ1和DZ2的穩定電壓為UZ，而導通電壓UD(on)近似為零。經過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。第四章圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作37窗口比較器假定UR2＞UR1ui＜UR1，Uo1為低電平UoL，V1截止Uo2為高電平UoH，V2導通，Uo≈UoH。UR1＜ui＜UR2，

Uo1和Uo2均為低電平UoL，V1、V2同時截止，輸出Uo=0。ui＞UR2，Uo1為高電平UoH，V1導通Uo2為低電平UoL，V2截止，Uo≈UoH。窗口比較器假定UR2＞UR1ui＜38窗口比較器利用上述窗口比較器設計的雙向高壓過壓檢測電路窗口比較器利用上述窗393.3單片集成專用電壓比較器1.通用低速型(LM311/211/111)3.3單片集成專用電壓比較器1.通用低速型(LM311/402.通用型/中速型(LM119)2.通用型/中速型(LM119)413.高精度/低失調/低功耗(LM339/239/139)3.高精度/低失調/低功耗(LM339/239/139)424.高速/低功耗(MAX901~903)4.高速/低功耗(MAX901~903)43

【例3.3.1】由單片集成電壓比較器LM311構成的整形電路如圖3.3.1(a)。LM311的輸出電平轉換時間為200ns。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信號，試問輸出波形將有何變化。圖3.3.1電壓比較器和輸出波形(a)電路；(b)對應不同信號頻率的輸出波形【例3.3.1】由單片集成電壓比較器LM311構成的整形電44解(1)對于fi1=1kHz的輸入信號，比較器的輸出為方波。(2)對于fi2=1MHz的輸入信號，比較器的轉換時間將對波形有較大影響，其輸出方波的邊緣已經很差(如圖3.3.1(b)所示)。(3)對于fi3=5MHz的信號，其周期為200ns，半個周期時間為100ns，已經少于比較器的轉換時間(200ns)，所以比較器的狀態根本來不及翻轉，故輸出波形為一不變的直線(如圖3.3.1(b)所示)。所以，我們在使用器件時，一定要注意器件的特性是否滿足我們的實際需要。解(1)對于fi1=1kHz的輸入信號，比較器的輸出為方波453.4模擬開關

模擬開關是電子系統中常用的基本單元電路，用來控制信號的通斷。一個理想的模擬開關，應接通時相當于短路，關斷時相當于開路，工作速度要快，各開關間的隔離度要好。模擬開關可由雙極型晶體管構成，也可以用MOS場效應管構成。CMOS模擬開關具有電路簡單、功耗小、導通電阻小、關斷電阻大等優點，因而得到廣泛應用。3.4模擬開關模擬開關46圖3.4.1CC4046四雙向模擬開關1.CC4066模擬開關3.4.1常用模擬開關圖3.4.1CC4046四雙向模擬開關1.CC472.CD4051模擬開關圖3.4.2CD4051結構框圖2.CD4051模擬開關圖3.4.2CD40548圖3.4.3CD4051引腳圖及功能表(a)引腳圖(b)功能表圖3.4.3CD4051引腳圖及功能表49圖3.4.4MAX4661的引腳圖及主要參數3.MAX4661模擬開關圖3.4.4MAX4661的引腳圖及主要參數3503.4.2模擬開關的應用

1.增益控制

圖3.4.5所示為一反相比例放大器，若要求輸入電阻一定，而增益可控，則可以在反饋支路中置入模擬開關。隨著控制電壓UCi的不同，反饋電阻也不同，以此達到控制增益的目的。圖3.4.5增益控制電路3.4.2模擬開關的應用圖3.4.512.脈沖調制

如圖3.4.6所示，一正弦波加入到模擬開關輸入端，控制端是一寬度為τ，周期為T的脈沖波，則輸出波形為已調脈沖波。圖3.4.6脈沖調制電路及波形2.脈沖調制圖3.4.6脈沖523.時分多路數據采集諸如CD4051一類的模擬開關，有三個控制端(分別為A、B、C)、八個輸入端和一個輸出端。當賦予A、B、C不同的邏輯值(0或1)時，則輸出端依次接通其中的一路輸入信號(相當于單刀多擲開關)，從而實現時分多路巡回數據采集的目的，如圖3.4.7所示。圖3.4.7CD4051模擬開關用于多路信號數據采集3.時分多路數據采集圖3.4.7CD4051模擬開533.1電壓比較器

3.1.1電壓比較器的基本特性電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當于數字電路中的邏輯“1”，低電平相當于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個狀態，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態。注意：在運算電路中所使用的“虛地”概念在非線性條件下不滿足；只在臨界狀態時才可使用。3.1電壓比較器3.1.1電壓比較器的基本特性54圖3.1.1電壓比較器的符號及傳輸特性圖3.1.1電壓比較器的符號及傳輸特性55

1.高電平(UoH)和低電平(UoL)

電壓比較器可以用運放構成，也可用專用芯片構成。用運放構成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負電源電壓(-UEE)。專用比較器的輸出電平一般與數字電路兼容，即UoH＝3.4V左右，UoL＝－0.4V左右。

2.鑒別靈敏度在實際電路中，集成運放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附近的一個很小范圍內存在著一個比較器的不靈敏區。如圖3.1.1(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內輸出狀態既非UoH，也非UoL，故無法實現對輸入電平大小進行判別。Aud越大，則這個不靈敏區就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。1.高電平(UoH)和低電平(Uo56

3.轉換速度轉換速度是比較器的另一個重要特性，即比較器的輸出狀態產生轉換所需要的時間。通常要求轉換時間盡可能短，以便實現高速比較。比較器的轉換速度與器件壓擺率SR有關，SR越大，輸出狀態轉換所需的時間就越短，比較器的轉換速度越高。3.轉換速度57

3.1.2電壓比較器的開環應用––簡單比較器

1.過零比較器

令參考電平ur=0。若Ui＞0，uo=UoL若Ui＜0，uo=UoH這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規則的輸入波形整形成規則的矩形波。問題：若參考電平ur≠0。而是接參考電壓UREF，輸出波形會有什么樣的變化？3.1.2電壓比較器的開環應用––簡單比較器問題58圖3.1.2過零比較器及脈寬調制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調制器輸出波形圖3.1.2過零比較器及脈寬調制器輸出波形59第三章__電壓比較器、弛張振蕩器及模擬開關課件60【例3.1.1】電路及輸入信號波形分別如圖3.1.3(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容，試分別畫出和的波形圖。【例3.1.1】電路及輸入信號波形分別如圖3.61

3.1.3遲滯比較器––正反饋比較器––雙穩態觸發器1.簡單比較器應用中存在的問題一是輸出電壓轉換時間受比較器翻轉速度（壓擺率SR）的限制，導致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖3.1.5(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖3.1.5(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產生錯誤的跳變，直至ui遠離ur值才穩定下來。如果對受干擾的uo波形去計數，計數值必然會多出許多，從而造成極大的誤差。3.1.3遲滯比較器––正反饋比較器––雙穩態觸62圖3.1.5簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭(b)受干擾情況圖3.1.5簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況63

2.遲滯比較器電路及傳輸特性

為了解決以上兩個問題，可將比較器設置兩個閾值，只要干擾信號不超過這兩個閾值，比較器就不會跳變，從而提高比較器的抗干擾能力。利用這種思想設計出來的電壓比較器稱為遲滯比較器，或稱施密特觸發器。電路是在簡單比較器基礎上增加了正反饋電路實現的。正反饋也加快了翻轉速度。

2.遲滯比較器電路及傳輸特性641)反向輸入的遲滯比較器

R2將uo反饋到運放的同相端與R1一起構成正反饋，其正反饋系數F為上門限電壓下門限電壓1)反向輸入的遲滯比較器上門限電壓下門限電壓65該電路傳輸特性分析：因為信號加在運放反相端，所以ui為負時，uo必為正，且等于高電平UoH=UCC。此時，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:(3.1.2)當ui由負逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時，輸出將由高電平轉換為低電平。我們稱uo從高到低所對應的ui轉換電平為上門限電壓，記為UTH。即(3.1.3)該電路傳輸特性分析：(3.1.2)當ui由負逐漸向正變化，66

而后，ui再增大，uo將維持在低電平。注意此時比較器的參考電壓Ur也將發生變化，即(3.1.4)可見，當ui由正變負的比較電平將是Ur2(負值)，故只有當ui變得比Ur2更負時，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL，即(3.1.5)特點：輸出端從高電平跳變到低電平對應的閾值電壓與從低電平跳變到高電平對應的閾值電壓不同！而后，ui再增大，uo67綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如圖3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，因此稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用ΔU表示：(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比較器的抗干擾能力。綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如68如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀態跳變的輸入電壓不發生在同一電平上，當ui上疊加有干擾信號時，只要該干擾信號的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會導致比較器輸出狀態的錯誤跳變。應該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉換。如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀69圖3.1.7遲滯比較器輸出波形圖3.1.7遲滯比較器輸出波形70

2)同相輸入遲滯比較器電路如圖3.1.8(a)所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態才發生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為

(3.1.7)(3.1.8)2)同相輸入遲滯比較器(3.1.771其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。遲滯比較器又名施密特觸發器或雙穩態電路，它有兩個狀態，且具有記憶功能。圖3.1.8同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性(a)電路；(b)傳輸特性曲線其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。72【例3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖3.1.9(b)所示，試畫出uo1

、uo2的波形圖。圖3.1.9電路圖與波形圖【例3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui73解：A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特性如圖3.1.10(a)、(b)所示。波形如圖3.1.9(c)所示。波形如圖3.1.9(d)所示。圖3.1.10A1、A2傳輸特性解：A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特74

3.2弛張振蕩器弛張振蕩器即方波–三角波產生器。對于方波信號發生器，其狀態有時維持不變，而有時則發生突跳。為區別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號發生器稱之為弛張振蕩器。弛張振蕩器必須是一個正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態記憶電路;另一部分是定時電路，即控制狀態轉換時間的電路。如圖3.2.1所示，一般用遲滯比較器作為狀態記憶電路，而用積分器作為定時電路。3.2弛張振蕩器75圖3.2.1弛張振蕩器框圖圖3.2.1弛張振蕩器框圖76

3.2.1單運放弛張振蕩器單運放將狀態記憶電路和定時電路集中在一起，如圖3.2.2(a)所示，其中帶正反饋的運放構成遲滯比較器，RC構成積分器即定時電路。其波形如圖3.2.2(b)所示。圖3.2.2單運放弛張振蕩器電路及波形3.2.1單運放弛張振蕩器圖3.2.2單運放77假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數規律上升，并趨向UoH。此時，運放同相端電壓U+為(3.2.1)

該電壓為比較器的參考電平。當uC上升到該電平值時，即U-=U+，則輸出狀態要發生翻轉，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時的U+記為高門限電壓UTH：(3.2.2)假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始78

一旦Uo變為低電平，電容開始放電，后又反充電，uC以指數規律下降，并趨向UoL。但是，因為此時的U+變為另一個參考電平(下門限電壓)

當uC下降到UTL時，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復始，運放輸出為方波，其峰峰值為

(3.2.3)(3.2.4)一旦Uo變為低電平，電容開始放電，79電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)

因為電容充電和放電時常數均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。現在來計算振蕩頻率f0。首先計算時間T1。如圖3.2.2(b)所示，根據三要素法，電容電壓uC(t)為(3.2.6)電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)80(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得81

改變時常數RC及正反饋系數，比值均可改變振蕩頻率。(3.2.8)改變時常數RC及正反饋系數，82

3.2.2雙運放構成的弛張振蕩器如圖3.2.3所示，運放A1構成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過來三角波又去控制遲滯比較器的狀態轉換，周而復始形成振蕩，其波形如圖3.2.4所示。圖3.2.3雙運放方波–三角波振蕩器3.2.2雙運放構成的弛張振蕩器圖83圖3.2.4雙運放方波–三角波振蕩器輸出波形圖3.2.4雙運放方波–三角波振蕩器輸出波形84

1.uo1和uo2幅度的計算1)uo1的幅度由圖可見，uo1的高電平UoH=UCC，低電平UoL=-UEE，所以其峰峰值為(3.2.9)

uo2為三角波。當uo1為高電平時，C充電，充電電流(α為電位器RW的分壓比)，uo2隨時間線性下降。再看A1，其反相端接地，當U+過零時，A1輸出狀態翻轉，而U+等于uo1和uo2的疊加，即1.uo1和uo2幅度的計算(3.2.9)85

2)uo2的幅度同理，當uo2為低電平時，C反充電，充電電流，uo2隨時間線性上升，當U+再次過零時，算出2)uo2的幅度86(3.2.10)(3.2.10)87

2.頻率f0的計算我們知道，在T1時間間隔內，電容C的電壓增量由式ΔUC=ΔQ/C計算得

(3.2.11)2.頻率f0的計算(3.2.11)88uo(t)t0UoHRbCRaCUoL－＋AuoR3R1R2aCbV1V2RWRbRa占空比可調：調節電位器抽頭的位置，充放電時常數就不等。uo(t)t0UoHRbCRaCUoL－＋AuoR3R1R289圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或-UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認為DZ1和DZ2的穩定電壓為UZ，而導通電壓UD(on)近似為零。經過限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。第四章圖示電路為單運放弛張振蕩器。其中集成運放用作90窗口比較器假定UR2＞UR1ui＜UR1，Uo1為低電平UoL，V1截止Uo2為高電平UoH，V2導通，Uo≈UoH。UR1＜ui＜UR2，

Uo1和Uo2均為低電平UoL，V1、V2同時截止，輸出Uo=0。ui＞UR2，Uo1為高電平UoH，V1導通Uo2為低電平UoL，V2截止，Uo≈UoH。窗口比較器假定UR2＞UR1ui＜91窗口比較器利用上述窗口比較器設計的雙向高壓過壓檢測電路窗口比較器利用上述窗923.3單片集成專用電壓比較器1.通用低速型(LM311/211/111)3.3單片集成專用電壓比較器1.通用低速型(LM311/932.通用型/中速型(LM119)2.通用型/中速型(LM119)943.高精度/低