基于集成運算放大器的電壓比較器實驗綜述報告

縱榜峰

（宿州學院，安徽 宿州234000）

電壓比較器是一種用來鑒別和比較輸入信號電壓大小的電子電路，當比較器的輸入信號電壓變化到參考電壓附近并通過參考電壓時，比較器的輸出電壓會發生跳變，從高電平跳變到低電平或從低電平跳變到高電平[1]。它可以將連續變化的模擬信號轉換成僅有兩個狀態的矩形波，是組成非正弦波發生器的基本單元。廣泛應用于自動控制、模擬與數字信號轉換等領域。

1 集成運算放大器介紹

集成運算放大器，簡稱為集成運放，其端口主要包括電源端、調零端、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性或非線性元器件和反饋電路，可以靈活地實現輸入和輸出間的各種特定的函數或邏輯關系，是一種通用性很強的功能性器件，在現代電子電路中的應用很廣泛[2]。理想的運算放大器具有電壓放大倍數無窮大、輸入電阻無窮大和輸出電阻為零的特點。這三點是分析理想運放應用電路的基本原則，可有效簡化運放電路的計算。尤其前兩條，輸出電壓UO與輸入電壓之間滿足關系式UO＝Aud（U+-U－），由于Aud=∞，而UO為有限值，因此，U+-U-≈0,即U+≈U-，稱為“虛短”。由于ri=∞，故流進運放兩個輸入端的電流可視為零，即IIB＝0，稱為“虛斷”，這說明運放對其前級吸取電流極小而負載能力又很強[3]。而當集成運算放大器工作在非線性區時，兩個輸入端誰的電位高，輸出就反映誰的特征，即當U+＞U-時，輸出UO趨于正向飽和；當U+＜U-時，輸出UO趨于負向飽和，這是集成運放運用于非線性狀態的本質特征，也是電壓比較器工作的前提。

2 電壓比較器實驗原理

2.1 過零比較器

過零比較器是一種單限比較器，其電路基本構成及電壓傳輸特性曲線如圖1 所示，單限比較器在工作時只有一個參考電壓，在輸入信號的電壓逐漸增大或者減小的變化過程中，輸入信號電壓每當要通過參考電壓時，輸出電壓就會發生跳變，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ui加在同相端，參考電壓ur加在反相端，則當ui＜ur時uo=UOL，當ui＞ur時uo=UOH，構成一個同向電壓比較器。若把輸入信號ui加在反相端，參考電壓ur加在同相端，則當ui＜ur時uo=UOH，當ui＞ur時uo=UOL，構成一個反向電壓比較器。當參考電壓ur為零時，則為過零比較器。過零比較器結構簡單，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

過零比較器在實際工作時，如果ui在過零值附近受到干擾，uO將會產生空翻現象，不斷的在兩個極限電壓間反復跳變，如果應用在控制系統中將會產生很多錯誤指令。因此我們在比較器中引入正反饋，構成滯回比較器，它具有很強的抗干擾能力。同時，正反饋的加入使比較器狀態轉換的速度加快，輸出波形的邊緣也得到了改善。其電路結構和電壓傳輸特性曲線如圖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反饋到運放的同相端，構成正反饋。若uo改變狀態，同向端電位也隨著改變，使過零點離開原來位置。參考電壓變成兩個為UTL和UTH，計算公式為公式（1）和公式（2）。當ui大于UTH時uO即由UOH跳變到UOL。此時同向端電壓也隨之變成UTL，故只有當ui下降到UTL以下時才能使uO再度跳變到UOH。于是出現圖2 中所示的電壓傳輸特性。滯回比較器的上、下門限電壓之差稱之為回差，用ΔU 表示，計算公式為公示(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越強，但同時靈敏度也會隨著降低。因為輸入信號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改變R2的阻值來實現。

2.3 窗口（雙限）比較器

簡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，而由兩個簡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。通過分析圖3（a）的電路可以得出，當時，窗口比較器的輸出電壓UO等于集成運放的正飽和輸出電壓，當或時，輸出電壓U0等于集成運放的負飽和輸出電壓。

圖3 窗口比較器及其電壓傳輸特性

3 實驗要求

按照電路圖連接好電路，接通±12V 電源，觀察每種比較器的ui→uO波形并記錄，測量傳輸特性曲線。滯回比較器要重點測出uO由UOH跳變到UOL和uO由UOL跳變到UOH時兩種情況下ui的臨界值，和理論值進行比較。

4 實驗總結

該實驗的主要目的是在學生充分了解幾種電壓比較器的工作原理的基礎上，通過實驗了解運算放大器在實際應用時應考的一些問題，掌握電壓比較器的電路構成及特點，學會測試比較器各種參數的方法。實驗本身的電路并不復雜，學生連接起來沒有問題，難點是輸入和輸出波形的調試和臨界值的測量，以及ui→uO波形的記錄和傳輸特性曲線的繪制。實驗誤差造成的原因較多，主要來自于集成運算放大器的動態誤差、信號源和示波器本身的誤差以及各種元器件參數波動造成的誤差，學生的各種不當操作也會造成測量的誤差。學生應在實驗后總結出幾種電壓比較器各自的特點，查閱資料找出每種比較器的應用實例。