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运算放大器用作比较器

发布时间:2020-05-05 来源:Doug Mercer 和 Antoniu Miclaus 责任编辑:wenwei

【导读】在本实验中,我们将运算放大器配置为开关模式,以实现电压比较器的功能。电压比较器电路的作用是通过输出电压的两个不同状态,表征两输入电压的相对状态。这种比较使用两个输入电压之差的正负,输出两个可能输出值中的一个,具体的输出值由规定的相减方式决定。
 
对于运算放大器比较器,我们可以将单输入 VD 视为两输入信号V+和V–之间的差异。而输出电压 VO可以获取两个可能值中的一个:
 
●  VO = VOH (高),意味着V+ > V– (vD > 0)
●  VO = VOL (低),意味着V+ < V– (vD < 0)
 
我们将阈值电压 VTh 当做输入电压 vI 的特定值(或值),在该值时输出端开启(设置VD = 0)。
 
需要考虑两种主要的电压比较器:
 
●  简单比较器:无反馈,只有一个阈值电压。
●  迟滞比较器:有正反馈和两个阈值电压。
 
材料:
 
●  ADALM2000 主动学习模块
●  无焊面包板和跳线套件
●  三个10 kΩ电阻
●  一个20 kΩ电阻
●  一个OP97(低压摆率放大器随附新版本 ADALP2000 模拟部件套件)或OP37
 
简单比较器
 
背景知识:
 
将运算放大器配置为比较器,便可利用运算放大器的高固有增益和输出饱和效应,如图1所示。这基本上属于二元状态决策电路:如果正极(+)端口的电压大于负极(–)端口的电压,即VIN > VREF,输出会增高(在最大值时达到饱和)。相反,如果 VIN < VREF ,则输出走低。电路比较两个输入端的电压,根据相对值产生输出。与之前所有电路不同,输入和输出之间没有反馈;我们说电路是开环运行的。
 
运算放大器用作比较器
图1.运算放大器用作比较器。
 
硬件设置:
 
比较器的使用方式不同,在以后的实验中我们会看到它的实际应用。在这里,我们将以常见配置使用比较器,生成具有可变脉冲宽度的方波。
 
首先关闭电源并组装电路。与求和放大器电路一样,使用第二个波形发生器输出作为直流源 VREF,将幅度更改为零,且将输出偏置降低到最低,以便您在实验期间可以从零开始调节。
 
运算放大器用作比较器
图2.比较器面包板电路。
 
将波形发生器 VIN 配置为频率1 kHz幅值2 V峰峰值正弦波。开启电源,在VREF 为O V时,导出输出波形。
 
然后,缓慢增大 VREF 观察会发生什么情况。记录VREF = 1 V的输出波形。继续增大VREF,直到超过2 V,观察会发生什么情况。您能予以解释吗?
 
对三角输入波形重复以上步骤,在实验报告中记录观察到的结果。
 
步骤:
 
将第一个波形发生器用作 VIN 源,向电路提供幅度2 V峰峰值、1 kHz正弦波激励。向运算放大器提供±5 V电源电压。配置示波器,使通道1上显示输入信号,通道2上显示输出信号。
 
产生的波形如图3所示。
 
运算放大器用作比较器
图3.比较器波形。
 
迟滞比较器
 
迟滞是指系统的当前状态依赖于决定该状态量的先前值。输出值并不是对应输入的严格函数,它包含了一些滞后、延迟或过往依赖性。特别是,对输入变量降低的响应与对输入变量增高的响应是不同的。
 
在此配置中,包含两个阈值 VThH 和 VThL,以及两个输出值 VOH 和 VOL。阈值应该依赖于输出值,输出值反馈至输入,成为阈值中的一部分(正反馈)。通过电阻分压器,将输出电压的一部分反馈至同相输入。
 
分析迟滞比较器时,我们必须考虑迟滞的方向变换这个问题,以及在某些时刻,只有一个阈值保持活动这个事实。
 
输入信号触发输出变化,正反馈会维持这个变化。
 
同相迟滞比较器
 
背景知识:
 
请看图4所示的电路。
 
运算放大器用作比较器
图4.同相迟滞比较器。
 
在图4所示的同相迟滞比较器电路中,VIN被应用于运算放大器的同相输入。电阻R1和R2在比较器上构成分压器网络,通过同相输入上的部分输出电压提供正反馈,通过相同的电阻分压器提供VIN
 
反馈量由使用的两个电阻的电阻比决定(在此情况下,比率为1/2)。
 
我们可以使用以下公式计算阈值电压:
 
运算放大器用作比较器
 
鉴于 VD = 0, VIN → VTh, 我们可以得出以下阈值:
 
运算放大器用作比较器
 
oninver
硬件设置:
 
为同相迟滞比较器构建以下面包板电路。
 
运算放大器用作比较器
图5.同相迟滞比较器面包板电路。
 
步骤:
 
将第一个波形发生器用作 VIN 源,向电路提供幅度6 V峰峰值、1 kHz正弦波激励。向运算放大器提供±5 V电源电压。配置示波器,使通道1上显示输入信号,通道2上显示输出信号。
 
产生的波形如图6所示。
 
运算放大器用作比较器
图6.同相迟滞比较器波形。
 
在图7中,您可以查看同相迟滞比较器的电压传输特性(图中箭头表示与阈值相关的信号的走向)。比较计算得出的阈值电压值与测量到的电压值。
 
运算放大器用作比较器
图7.同相迟滞比较器XY图。
 
反相迟滞比较器
 
背景知识:
 
请看图8所示的电路。
 
运算放大器用作比较器
图8.反相迟滞比较器。
 
在图8所示的反相迟滞比较器电路中,VIN被应用于运算放大器的反相输入。电阻R1和R2在比较器上构成分压器网络,通过同相输入上的部分输出电压提供正反馈。
 
被应用于运算放大器的反相输入。电阻R1和R2在比较器上构成分压器网络,通过同相输入上的部分输出电压提供正反馈。
 
我们可以使用以下公式计算阈值电压:
 
运算放大器用作比较器
 
鉴于VD = 0, VIN → VTh,我们可以得出以下阈值:
 
运算放大器用作比较器
 
硬件设置:
 
为反相迟滞比较器构建以下面包板电路。
 
运算放大器用作比较器
图9.反相迟滞比较器面包板电路。
 
步骤:
 
将第一个波形发生器用作 VIN源,向电路提供幅度为6 V峰峰值、1 kHz正弦波激励。向运算放大器提供±5 V电源电压。配置示波器,使通道1上显示输入信号,通道2上显示输出信号。
 
产生的波形如图10所示。
 
运算放大器用作比较器
图10.反相迟滞比较器波形。
 
在图11中,您可以查看同相迟滞比较器的电压传输特性(图中箭头表示与阈值相关的信号的走向)。比较计算得出的阈值电压值与测量到的电压值。
 
运算放大器用作比较器
图11.反相迟滞比较器XY图。
 
带不对称阈值的反相迟滞比较器
 
背景知识:
 
请看图12所示的电路。
 
运算放大器用作比较器
图12.带不对称阈值的反相迟滞比较器。
 
图12所示的带不对称阈值电路的反向比较器,使用了额外的基准电压VREF 。电阻R1和R2在比较器上构成分压器网络,通过同相输入上的部分输出电压提供正反馈,此外有部分VREF通过相同的分压器。
 
我们可以使用以下公式计算阈值电压:
 
运算放大器用作比较器
 
鉴于VD = 0, VIN → VTh, 我们可以得出以下阈值:
 
运算放大器用作比较器
 
硬件设置:
 
为反相迟滞比较器构建以下面包板电路。
 
运算放大器用作比较器
图13.带不对称阈值的反相迟滞比较器的面包板。
 
步骤:
 
将第一个波形发生器用作VIN源,向电路提供幅度为6 V峰峰值、1 kHz正弦波激励,将第二个波形发生器用作2 V恒定基准电压。向运算放大器提供±5 V电源电压。配置示波器,使通道1上显示输入信号,通道2上显示输出信号。
 
产生的波形如图14所示。
 
运算放大器用作比较器
图14.带不对称阈值的反相迟滞比较器的波形。
 
在图15中,您可以查看同相迟滞比较器的电压传输特性(图中箭头表示与阈值相关的信号的走向)。比较计算得出的阈值电压值与测量到的电压值。
 
运算放大器用作比较器
图15.带不对称阈值的反相迟滞比较器的XY图。
 
问题:
 
计算所有4个比较器设置(简单、同相迟滞、反向迟滞和不对称阈值)的阈值电压,比较计算得出的值与通过实验步骤得出的值。
 
额外实验
 
对于先完成实验,或者想要接受额外挑战的实验人员,看看您是否能够使用输出端的红色和绿色LED(来自上次实验)来修改比较器电路,使红色LED在负电压时亮起,绿色LED在正电压时亮起。将频率降低至1 Hz(或更低),以便看到它们实时开关。不要忘记,LED需要使用限流电阻,以便流经LED的电流不会超过20 mA。
 
您也可以对具备多个电压电平的电路实施上述示例实验,如图16中的电路所示。
 
运算放大器用作比较器
图16.使用LED的电压电平指示器。
 
材料:
 
●  ADALM2000主动学习模块
●  无焊面包板和跳线套件
●  三个470 Ω电阻
●  一个10 kΩ电阻
●  两个20 kΩ电阻
●  三个LED(红色、绿色、黄色)
●  一个 ADTL082 (两个集成式运算放大器)
 
该电路使用一个分压器(R1、R2、R3)分别为两个比较器获取一个阈值。基于这些阈值和输入电压,一次亮起一个LED(D1、D2、D3)。
 
练习:
 
●  根据图16所示的电路,计算阈值电压。确定对于每个输入电压范围,哪个LED亮起。
●  构建面包板电路。向运算放大器提供±5 V电源电压。使用信号生成器的第一个信道生成可变输入电压(VIN),使用第二个信道生成5 V恒定基准电压。
 
运算放大器用作比较器
图17.使用LED的电压电平指示器。
 
在0 V至5 V之间变换输入电压,观察LED的行为。
 
这种类型的电路也被称为窗口比较器。关于这种主题的应用,可以参考实验:使用窗口比较器实施温度控制。
 
 
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