基于集成運(yùn)算放大器的電壓比較器實(shí)驗(yàn)綜述報(bào)告

縱榜峰

（宿州學(xué)院，安徽 宿州234000）

電壓比較器是一種用來(lái)鑒別和比較輸入信號(hào)電壓大小的電子電路，當(dāng)比較器的輸入信號(hào)電壓變化到參考電壓附近并通過(guò)參考電壓時(shí)，比較器的輸出電壓會(huì)發(fā)生跳變，從高電平跳變到低電平或從低電平跳變到高電平[1]。它可以將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成僅有兩個(gè)狀態(tài)的矩形波，是組成非正弦波發(fā)生器的基本單元。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

1 集成運(yùn)算放大器介紹

集成運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)為集成運(yùn)放，其端口主要包括電源端、調(diào)零端、反相輸入端、同向輸入端和輸出端，它是一種直接耦合的高增益放大器。在其外部電路中接入合適的線(xiàn)性或非線(xiàn)性元器件和反饋電路，可以靈活地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出間的各種特定的函數(shù)或邏輯關(guān)系，是一種通用性很強(qiáng)的功能性器件，在現(xiàn)代電子電路中的應(yīng)用很廣泛[2]。理想的運(yùn)算放大器具有電壓放大倍數(shù)無(wú)窮大、輸入電阻無(wú)窮大和輸出電阻為零的特點(diǎn)。這三點(diǎn)是分析理想運(yùn)放應(yīng)用電路的基本原則，可有效簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的計(jì)算。尤其前兩條，輸出電壓UO與輸入電壓之間滿(mǎn)足關(guān)系式UO＝Aud（U+-U－），由于Aud=∞，而UO為有限值，因此，U+-U-≈0,即U+≈U-，稱(chēng)為“虛短”。由于ri=∞，故流進(jìn)運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流可視為零，即IIB＝0，稱(chēng)為“虛斷”，這說(shuō)明運(yùn)放對(duì)其前級(jí)吸取電流極小而負(fù)載能力又很強(qiáng)[3]。而當(dāng)集成運(yùn)算放大器工作在非線(xiàn)性區(qū)時(shí)，兩個(gè)輸入端誰(shuí)的電位高，輸出就反映誰(shuí)的特征，即當(dāng)U+＞U-時(shí)，輸出UO趨于正向飽和；當(dāng)U+＜U-時(shí)，輸出UO趨于負(fù)向飽和，這是集成運(yùn)放運(yùn)用于非線(xiàn)性狀態(tài)的本質(zhì)特征，也是電壓比較器工作的前提。

2 電壓比較器實(shí)驗(yàn)原理

2.1 過(guò)零比較器

過(guò)零比較器是一種單限比較器，其電路基本構(gòu)成及電壓傳輸特性曲線(xiàn)如圖1 所示，單限比較器在工作時(shí)只有一個(gè)參考電壓，在輸入信號(hào)的電壓逐漸增大或者減小的變化過(guò)程中，輸入信號(hào)電壓每當(dāng)要通過(guò)參考電壓時(shí)，輸出電壓就會(huì)發(fā)生跳變，從低電平跳變到高電平或從高電平跳變到低電平。若把輸入信號(hào)ui加在同相端，參考電壓ur加在反相端，則當(dāng)ui＜ur時(shí)uo=UOL，當(dāng)ui＞ur時(shí)uo=UOH，構(gòu)成一個(gè)同向電壓比較器。若把輸入信號(hào)ui加在反相端，參考電壓ur加在同相端，則當(dāng)ui＜ur時(shí)uo=UOH，當(dāng)ui＞ur時(shí)uo=UOL，構(gòu)成一個(gè)反向電壓比較器。當(dāng)參考電壓ur為零時(shí)，則為過(guò)零比較器。過(guò)零比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。

2.2 滯回比較器

圖1 單限比較器及其電壓傳輸特性

過(guò)零比較器在實(shí)際工作時(shí)，如果ui在過(guò)零值附近受到干擾，uO將會(huì)產(chǎn)生空翻現(xiàn)象，不斷的在兩個(gè)極限電壓間反復(fù)跳變，如果應(yīng)用在控制系統(tǒng)中將會(huì)產(chǎn)生很多錯(cuò)誤指令。因此我們?cè)诒容^器中引入正反饋，構(gòu)成滯回比較器，它具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，正反饋的加入使比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速度加快，輸出波形的邊緣也得到了改善。其電路結(jié)構(gòu)和電壓傳輸特性曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖2 滯回比較器及其電壓傳輸特性

R1和R2將輸出電壓uo反饋到運(yùn)放的同相端，構(gòu)成正反饋。若uo改變狀態(tài)，同向端電位也隨著改變，使過(guò)零點(diǎn)離開(kāi)原來(lái)位置。參考電壓變成兩個(gè)為UTL和UTH，計(jì)算公式為公式（1）和公式（2）。當(dāng)ui大于UTH時(shí)uO即由UOH跳變到UOL。此時(shí)同向端電壓也隨之變成UTL，故只有當(dāng)ui下降到UTL以下時(shí)才能使uO再度跳變到UOH。于是出現(xiàn)圖2 中所示的電壓傳輸特性。滯回比較器的上、下門(mén)限電壓之差稱(chēng)之為回差，用ΔU 表示，計(jì)算公式為公示(3)所示，回差的大小決定了比較器的抗干擾能力，回差越大，比較器的抗干擾能力會(huì)越強(qiáng)，但同時(shí)靈敏度也會(huì)隨著降低。因?yàn)檩斎胄盘?hào)的電壓峰峰值必須大于回差，輸出才能正常跳變。回差的大小可以通過(guò)改變R2的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 窗口（雙限）比較器

簡(jiǎn)單的比較器只能鑒別輸入電壓ui比參考電壓UR高或低的情況，而由兩個(gè)簡(jiǎn)單的比較器組成的如圖3 所示的窗口比較 慮器則能指示出ui值是否處于和之間。通過(guò)分析圖3（a）的電路可以得出，當(dāng)時(shí)，窗口比較器的輸出電壓UO等于集成運(yùn)放的正飽和輸出電壓，當(dāng)或時(shí)，輸出電壓U0等于集成運(yùn)放的負(fù)飽和輸出電壓。

圖3 窗口比較器及其電壓傳輸特性

3 實(shí)驗(yàn)要求

按照電路圖連接好電路，接通±12V 電源，觀(guān)察每種比較器的ui→uO波形并記錄，測(cè)量傳輸特性曲線(xiàn)。滯回比較器要重點(diǎn)測(cè)出uO由UOH跳變到UOL和uO由UOL跳變到UOH時(shí)兩種情況下ui的臨界值，和理論值進(jìn)行比較。

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

該實(shí)驗(yàn)的主要目的是在學(xué)生充分了解幾種電壓比較器的工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解運(yùn)算放大器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考的一些問(wèn)題，掌握電壓比較器的電路構(gòu)成及特點(diǎn)，學(xué)會(huì)測(cè)試比較器各種參數(shù)的方法。實(shí)驗(yàn)本身的電路并不復(fù)雜，學(xué)生連接起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題，難點(diǎn)是輸入和輸出波形的調(diào)試和臨界值的測(cè)量，以及ui→uO波形的記錄和傳輸特性曲線(xiàn)的繪制。實(shí)驗(yàn)誤差造成的原因較多，主要來(lái)自于集成運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)誤差、信號(hào)源和示波器本身的誤差以及各種元器件參數(shù)波動(dòng)造成的誤差，學(xué)生的各種不當(dāng)操作也會(huì)造成測(cè)量的誤差。學(xué)生應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后總結(jié)出幾種電壓比較器各自的特點(diǎn)，查閱資料找出每種比較器的應(yīng)用實(shí)例。