基于集成运算放大器的电压比较器实验综述报告

纵榜峰

（宿州学院，安徽 宿州234000）

电压比较器是一种用来鉴别和比较输入信号电压大小的电子电路，当比较器的输入信号电压变化到参考电压附近并通过参考电压时，比较器的输出电压会发生跳变，从高电平跳变到低电平或从低电平跳变到高电平[1]。它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个状态的矩形波，是组成非正弦波发生器的基本单元。广泛应用于自动控制、模拟与数字信号转换等领域。

1 集成运算放大器介绍

集成运算放大器，简称为集成运放，其端口主要包括电源端、调零端、反相输入端、同向输入端和输出端，它是一种直接耦合的高增益放大器。在其外部电路中接入合适的线性或非线性元器件和反馈电路，可以灵活地实现输入和输出间的各种特定的函数或逻辑关系，是一种通用性很强的功能性器件，在现代电子电路中的应用很广泛[2]。理想的运算放大器具有电压放大倍数无穷大、输入电阻无穷大和输出电阻为零的特点。这三点是分析理想运放应用电路的基本原则，可有效简化运放电路的计算。尤其前两条，输出电压UO与输入电压之间满足关系式UO＝Aud（U+-U－），由于Aud=∞，而UO为有限值，因此，U+-U-≈0,即U+≈U-，称为“虚短”。由于ri=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断”，这说明运放对其前级吸取电流极小而负载能力又很强[3]。而当集成运算放大器工作在非线性区时，两个输入端谁的电位高，输出就反映谁的特征，即当U+＞U-时，输出UO趋于正向饱和；当U+＜U-时，输出UO趋于负向饱和，这是集成运放运用于非线性状态的本质特征，也是电压比较器工作的前提。

2 电压比较器实验原理

2.1 过零比较器

过零比较器是一种单限比较器，其电路基本构成及电压传输特性曲线如图1 所示，单限比较器在工作时只有一个参考电压，在输入信号的电压逐渐增大或者减小的变化过程中，输入信号电压每当要通过参考电压时，输出电压就会发生跳变，从低电平跳变到高电平或从高电平跳变到低电平。若把输入信号ui加在同相端，参考电压ur加在反相端，则当ui＜ur时uo=UOL，当ui＞ur时uo=UOH，构成一个同向电压比较器。若把输入信号ui加在反相端，参考电压ur加在同相端，则当ui＜ur时uo=UOH，当ui＞ur时uo=UOL，构成一个反向电压比较器。当参考电压ur为零时，则为过零比较器。过零比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。

2.2 滞回比较器

图1 单限比较器及其电压传输特性

过零比较器在实际工作时，如果ui在过零值附近受到干扰，uO将会产生空翻现象，不断的在两个极限电压间反复跳变，如果应用在控制系统中将会产生很多错误指令。因此我们在比较器中引入正反馈，构成滞回比较器，它具有很强的抗干扰能力。同时，正反馈的加入使比较器状态转换的速度加快，输出波形的边缘也得到了改善。其电路结构和电压传输特性曲线如图2 所示。

图2 滞回比较器及其电压传输特性

R1和R2将输出电压uo反馈到运放的同相端，构成正反馈。若uo改变状态，同向端电位也随着改变，使过零点离开原来位置。参考电压变成两个为UTL和UTH，计算公式为公式（1）和公式（2）。当ui大于UTH时uO即由UOH跳变到UOL。此时同向端电压也随之变成UTL，故只有当ui下降到UTL以下时才能使uO再度跳变到UOH。于是出现图2 中所示的电压传输特性。滞回比较器的上、下门限电压之差称之为回差，用ΔU 表示，计算公式为公示(3)所示，回差的大小决定了比较器的抗干扰能力，回差越大，比较器的抗干扰能力会越强，但同时灵敏度也会随着降低。因为输入信号的电压峰峰值必须大于回差，输出才能正常跳变。回差的大小可以通过改变R2的阻值来实现。

2.3 窗口（双限）比较器

简单的比较器只能鉴别输入电压ui比参考电压UR高或低的情况，而由两个简单的比较器组成的如图3 所示的窗口比较 虑器则能指示出ui值是否处于和之间。通过分析图3（a）的电路可以得出，当时，窗口比较器的输出电压UO等于集成运放的正饱和输出电压，当或时，输出电压U0等于集成运放的负饱和输出电压。

图3 窗口比较器及其电压传输特性

3 实验要求

按照电路图连接好电路，接通±12V 电源，观察每种比较器的ui→uO波形并记录，测量传输特性曲线。滞回比较器要重点测出uO由UOH跳变到UOL和uO由UOL跳变到UOH时两种情况下ui的临界值，和理论值进行比较。

4 实验总结

该实验的主要目的是在学生充分了解几种电压比较器的工作原理的基础上，通过实验了解运算放大器在实际应用时应考的一些问题，掌握电压比较器的电路构成及特点，学会测试比较器各种参数的方法。实验本身的电路并不复杂，学生连接起来没有问题，难点是输入和输出波形的调试和临界值的测量，以及ui→uO波形的记录和传输特性曲线的绘制。实验误差造成的原因较多，主要来自于集成运算放大器的动态误差、信号源和示波器本身的误差以及各种元器件参数波动造成的误差，学生的各种不当操作也会造成测量的误差。学生应在实验后总结出几种电压比较器各自的特点，查阅资料找出每种比较器的应用实例。