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。
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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。
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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
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图2.1-2
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图2.2-1
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图2.2-2
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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。
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