基于集成运放构成的窗口电压比较器和滞回电压比较器设计

集成运放的综合应用研究

集成运算放大器在电子电路中应用日益广泛，在线性区工作时可以构成多种类型的信号放大、信号运算、滤波等电路；在非线性区工作时可以构成多种类型的电压比较器。本文研究基于集成运放构成的窗口电压比较器和滞回电压比较器。

一，窗口电压比较器

1.具有内窗口传输特性的电压比较器

电路图如图1.1-1所示。

图1.1-1

可以用Multisim14 软件进行仿真测试。本例中，为了方便观察输入和输出波形之间是否满足预定的传输特性，比较器的输入测试信号ui 由函数发生器提供，设置为100Hz、5Vp 的三角波。为了方便区分输入和输出波形，ui 用红色线条显示，而uo 用蓝色线条显示。图3（a）为具有内窗口特性的电压比较器的仿真电路。启动仿真后，双击示波器图标打开波形测试窗，将示波器设置为 “Y/T”模式，可以观察窗口比较器的输入输出波形。移动光标T1 和T2 到如图3（b）中的位置，可以测试窗口比较器的输出幅度，如图1.1-2所示。

图1.1-2

Channel B 在T1 时刻的读数-5.507V即低电平值UOL；在T2 时刻的读数5.505V 即为高电平值UOH。观察UOL 和UOH 的大小，若UOL 的绝对值略大，则稍微减小R4 的阻值使输出电压向正的方向增大一些；反之，若UOL 的绝对值略小，则稍微增大R4 的阻值使输出电压向负的方向增大一些，最终使得UOH = ∣ UOL ∣。观察仿真结果可以看到，输出幅度与理论指标之间有0.007V 的误差。主要原因是实际的电阻元件阻值存在一定的误差。

将示波器设置为 “B/A”模式可以观察窗口比较器的传输特性。移动光标T1 和T2 到如图1.1-3中的位置。

图1.1-3

Channel B 在T1 时刻读数-2.000V 为阈值UTL 的设定值；在T2 时刻读数2.000V 为阈值UTH 的设定值。可见，仿真测试的UTL 在-2V 附近变化，而UTH 在+2V 附近变化。与下图图像相符合。

图1.1-4

2.具有外窗口传输特性的电压比较器

电路如图1.2-1所示。

图1.2-1

在示波器的波形显示窗口，将示波器设置为 “Y/T”模式可以观察窗口比较器的输入输出波形。移动光标T1 和T2到如图1.2-2中的位置，可以测试窗口比较器的输出幅度：Channel B 在T1 时刻读数5.507V 为高电平值UOH；在T2时刻读数-5.505V 为低电平值UOL。观察UOL 和UOH 的大小，若UOH 略大，则稍微减少R4 的阻值使输出电压向负的方向增大一些；反之，若UOH 略小，则稍微增大R4 的阻值使输出电压向正的方向增大一些，最终使得UOH = ∣ UOL ∣。

图1.2-2

将示波器设置为 “B/A”模式，示波器显示的是窗口比较器的传输特性。移动光标T1 和T2 到如图1.2-3中的位置，Channel B 在T1 时刻的读数-2.000V 为小阈值UTL 的设定值；在T2 时刻的读数2.000V 为大阈值UTH 的设定值。可见，仿真测试的UTL 在-2V 附近变化，而UTH 在+2V 附近变化。如图2.1-3所示。

图1.2-3

与图1.2-4相比吻合。

图2.1-4

综上，利用Multisim14 仿真测试，可以直接获得仿真电路的时域波形图和传输特性，准确测量电压比较器传输特性的两个要素输出幅度和阈值，并且直接观察出另一个要素输出电压在阈值处的跃变情况。而且将元件的连接稍加改变，就可以获得内窗口和外窗口两种不同传输特性的电压比较器。

二，滞回电压比较器

1.集成运算放大器电压传输特性测试

电路如图2.1-1所示。

图2.1-1

用DC sweep测得的输入输出特性如图2.1-2所示。

图2.1-2

测试结果说明，运放的线性区只在输入信号为0 附近时才存在，所以当运放构成开环或者正反馈电路时，输出只有两个稳定状态：正限幅值（UOH）或者负限幅值（UOL），当输出发生翻转时经过原点。

2.反相输入型滞回电压比较器

电路如图2.2-1所示。

图2.2-1

将示波器的信号测试方式设置为Y/T（双通道时域波形观察），调节R4，将示波器光标T1 移动到如图2.1-2所示输入和输出波形的交点UTH 处，使Channel A 的值为3.090；若继续移动T1 到相邻的交点UTL 处可以读出-3.087V。再将光标T2 移动到图2.1-2所示的正限幅位置，从Channel B 可以读出正限幅值UOH=5.202V；继续移动T2 到负限幅位置可以读出UOL =-5.202V。

图2.2-2

将示波器的信号测试方式设置为B/A，可以直接测试滞回比较器的电压传输特性如图2.1-3所示，可以读出Channel B 在T1 时刻的值-3.065V（即UTL），Channel A在T2 时刻的值-5.202V（即UOL）。将示波器的时间Range设置为100ms 时可以观察到：当输入由小增大经过UTH 时输出发生负跃变；当输入由大减小经过UTL 时输出发生正跃变。

图2.2-3

3.同相输入型滞回电压比较器

电路图如图2.3-1所示。

图2.3-1

将示波器的信号测试方式设置为Y/T（双通道时域波形观察），调节R4，将示波器光标T1 移动到如图2.3-2所示输入和输出波形的交点（即UTH）处，使Channel A 的值为3.355V；若如果继续移动T1 到相邻的交点（即UTL）处可以读出-3.513V。再将光标T2 移动到图2.3-2所示的正限幅UOH 位置，从Channel B可以读出正限幅值5.604V；继续移动T2 到负限幅UOL 位置可以读出-5.604V。

图2.3-2

将示波器的信号测试方式设置为B/A，可以直接测试比较器的电压传输特性如图2.3-3所示，可以读出Channel B在T1 时刻的值-3.513V（即UTL 值），Channel A 在T2 时刻的值-5.602V（即UOL）。将示波器的时间Range 设置为1S 时可以观察到：当输入由小增大经过UTH 时输出发生正跃变；当输入由大减小经过UTL 时输出发生负跃变。

图2.3-3

4.矩形波－锯齿波发生电路设计

电路如图2.4-1所示。

图2.4-1

计算电路特性公式有：

取R1=5kΩ，R2=7kΩ，R4=16kΩ，C1 ＝ 16.8nF，在中间值附近调节各电位器，观察示波器波形，如图2.4-2所示。移动光标T1测试分别正限幅值5.963V（即UOH）和负限幅值-5.965V（即UOL）；再移动光标T2 测量锯齿波的正向峰值4.148（即UTH）和负向峰值-4.240（即UTL）。

图2.4-2

与计算值:输出信号频率1kHz，占空比约0.5，矩形波的输出幅度±5.8V，锯齿波的输出幅度±4V在误差范围内相等。