电压比较器
运放有两个工作区：线性工作区和非线性工作区。
运算电路使用的是运放的线性区
电压比较器使用的是运放的非线性区
注意：在运算电路中所使用的“虚地”概念在非
线性条件下不满足；只在临界状态时才可使用。
1
一、概述
1、概念及构成
通过对两输入电压的相对比较，在输出端
得到高电平或低电平结果的电路器件。
vo
vi0
+Uom
-Uom
VREF
uo与ui的函数关系uo=f(ui)称为电压传输特性。
引起uo发生跳变得参考电压称为阈值电压（或
门槛电压），记为uT。 2
若 UiP < UiN ，则VO = VOL
+Uom
-Uom
VREF
vo
vi0
阈值电压
2. 基本工作原理及分析方法
运放在理想情况下：
Aod＝∞，Iid＝0，UiP=UiN
在开环状态下：
完整的电压比较器电路：
如果电路接成正反馈形式也可得到同样效果。
若 UiP > UiN ，则VO = VOH
3
对比较器电路的分析不能像对放大电路和运算电
路的方法。一般的分析方法是集中在输出跳变得瞬间
所对应的ui来分析uo与ui的对应关系。这时可认为电
路满足uiP=uiN，iP=iN=0，ui=uT。
一般电压比较器按uT的不同和连接方式的不同可
以有：
单门限比较器
滞回比较器
窗口比较器
4
二、单门限比较器
只有一个阈值电压uT的比较器，传输曲线如图。
+UoH
-UoL
VT
vo
vi0
若 Ui > UT 时，VO = VOH
若 Ui < UT 时，VO = VOL
根据uT的取值不同可分为过零
比较器和一般门限比较器。
1、过零比较器
过零比较器用途非常广泛，在交流调压、电气
控制系统中经常使用。根据所接输入端得不同可以
有同相过零比较器和反相过零比较器。
5
uo
ui0
+UOM
-UOM
同相、反相过零比较器:
uo
ui0
+UOM
-UOM
ui uo
uT=0
uo
ui
uT=0
6
2、一般门限比较器
当uT≠0条件下构成的比较器，有两种电路形式。
uREF为参考电压，根据比
较器在临界状态条件可求
得电路的阈值电压。
图1：
图1
7
图2：
图2
uT
应用：电平显示器、逐次比较
A/D等。
+UoH
-UoL
VT
vo
vi0
8
+
+ uo
ui
t
ui
t
uo
+Uom
-Uom
例题：利用电压比
较器将正弦波变为
方波。
问题：若反相端不是接地，
而是接参考电压VREF，输
出波形会有什么样的变化
？
9
三、滞回比较器（施密特触发器）
单门限电压比较器结构简单，灵敏度高。但抗
干扰能力差，如输入电压在uT附近时会造成uo反复
跳动，造成比较器工作不稳定。
为解决这一问题，可将比较器设置两个阈值，只
要干扰信号不超过这两个阈值比较器就不会跳变，从
而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来
的电压比较器称为滞回比较器。或称施密特触发器。
1、电路构成
如图所示，电路是在
单门限比较器基础上增加
了正反馈电路实现的。
10
2、估算阈值
按临界条件下的比较器状态来计算。
在临界跳变时
根据叠加原理，有
由于uP=uN，故此时uP对应的ui即为uT，而uT又与uo
的初始状态有关，uo=±uz，故
1）反相端输入
11
uo
ui0
+Uz
-Uz
UT1UT2
电压传输特性如图所示。
当uR=0时，传输特性即为如
图曲线；
当uR≠0时，传输特性曲线将
水平移动；
当uZ改变时，传输特性曲线
垂直移动。
特点：输出端从高电平跳变到低电平对应的阈值电
压与从低电平跳变到高电平对应的阈值电压不同！
12
t
ui
U+H
U+L
t
uo
Uom
-Uom
例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。
－
+
+
uoR
R2R1
ui
U+
13
14
15
16
2）滞回比较器(同相端输入)
根据叠加原理，有
在临界跳变时
UT1UT2
uo
ui0
UZ
-UZ
17
四、窗口比较器
单门限比较器和滞回比较器有一个共同特点就是当
ui单方向变化时，uo只会有一次跳变。如果希望检测ui
是否在两给定电压之间时就可以采用窗口比较器。
1、电路构成
uO
uI
URL URH
UOH
窗口比较器的特点是ui单方向变化时可以使uo
产生两次跳变。其电压传输特性如图。 18
该电路由
两个单门限比
较器接成同相、
反相输入形式
构成的。
图中使uRH>uRL，D1、D2作用是防止电流回流损
坏运放，电阻、稳压管为限流和电平匹配设置。
2、工作原理及阈值特性
19
结论：
（1）在电压比较器中，集成运放一般是工作在非线
性区，输出电压一般为正、负最大值。
（2）一般用电压传输特性来描述电压比较器中的输
出、输入电压间的函数关系。
（3）电压传输特性的决定因素为输出电压的高低电
平、阈值电压及其跳变方向。
自学“集成电压比较器”
20
作业：P465
15、16
21
主要学习：
1、了解常见非正弦波形
2、方波发生电路的结构及频率的计算
3、三角波及锯齿波发生电路的结构及频率的计算
4、进一步理解电压比较器及其应用
8-3 非正弦波发生电路
22
特点: 时间的函数; 幅值变化有突变点。无法用初等
函数进行描述。
方波: 矩形波: 尖顶波:
锯齿波:
钟形波:
梯形波:
阶梯波:
几种常见的非正弦波
三角波:
23
1.电路结构
一、方波发生器
反相输入的迟滞比较器，输出
经积分电路再输入到此比较器
的输入端。
上下限:
－
+
+
R
R1
R2
C
uc
uo
24
2.工作原理：
(1) 设 uo = + UOM ,
此时，输出给C 充电, uc
则：u+=U+H
－
+
+
R
R1
R2
C
+
uc
uo
0
t
uo
UOM
-UOM
uc
U+H
0 t
一旦 uc > U+H , 就有 u- > u+ ,
在 uc < U+H 时，u- < u+ ,
uo 立即由＋UOM 变成－UOM
, 设uC初始值uC(0+)= 0
方波发生器
uo保持+UOM不变
UOM
25
此时，C 经输出端放电,再反向充电
(2) 当uo = -UOM 时， u+=U+L
uc达到U+L时，uo上翻
－
+
+
R
R1
R2
C
+
uc
uo
U+H
uc
t
U+L
当uo 重新回到＋UOM 以后，电路又进入另一个
周期性的变化。
-UOM
26
0
U+H
uc
t
U+L
UOM
uo
0
t
- UOM
T
周期与频率的计算：
－
+
+
R
R1
R2
C
+
uc
uo
f = 1/T 此期间是分析问题时的假设,实际上用
示波器观察波形时看不到这段波形. 27
周期与频率的计算：
－
+
+
R
R1
R2
C
+
uc
uo 0
U+H
uc
t
U+L
+UOM
-UOM
T1 T2
T
T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样T1 = T2。
uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e
,=RC
- t
T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:
28
0
U+H
uc
t
U+L
+UOM
-UOM
T1 T2
T
uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e
,=RC
- t
UC (0+)=
UC ()=+UOM
t=T2时, uc(t =T2)=
周期与频率的计算：
)
2
1ln(
2
1
R
R
RCT2 +=
29
方波（非正弦波）发生器原理
1、电路中必须有开关特性的器件。可以是电
压比较器、集成模拟开关、TTL与非门等。
2、反馈网络。它的作用是通过输出信号的反
馈，改变开关器件的状态。
3、延迟环节。用RC电路的充放电来实现。
4、其他辅助部分如积分电路等。
在《数字电子技术基础》中也有利用这些原理实现方波发生器
30
思考题：点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点 c 是 b 的上
方和下方的某点 。试定性画出点电位器可动端分别处
于 a、b、c 三点时的 uo - uc 相对应的波形图。
－
- +
+
+
RW
R1
R2
C
uc
uo
D1
D2
a
b
c
设Rwa> Rwc
UOM
uo
0
t
- UOM
此即为占空比可调的方波发
生电路或称矩形波发生电路
31
反向积分器方波发生器
二、三角波发生器
矩形波经积分电路便可产生三角波，但是
此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能
让积分器饱和。
－
+
+
R1
R3
R4
C1
uc
_
uo
-
+
+ +
C2
R5
R2
三角波发生器电路1:
32
三角波发生器(续)
UOM
uo1
0
t
- UOM
－
+
+
R1
R3
R4
C1
uc
_
uo
-
+
+ +
C2
R5
R2uo1
33
反相积分器
反相输入的
迟滞比较器
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
特点:由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成,
迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入,反相积
分器的输出又作为迟滞比较器的输入.
三角波发生器电路2:
34
－
+
+
uoR
R2R1
ui
上下门限电压
反相输入的迟滞比较器
U+HU+L
uo
ui0
Uom
-Uom
反相积分器
ui=-U
ui=+U
t
uo
0
+Uom
-
Uom
uo-
+
+
C
R
R
ui
回顾:
35
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
(1)设t=0时, uo1=+UOM , uc (0) =0 ,
uo=0
u1+
u1+ = o
21
2
uRR
R
+
o1
21
1
uRR
R
+ +
= OM
21
1
URR
R
+ >u1-=0, uo1保持+ UOM
UOM
uo1
0
t
- UOM
三角波发生器电路2 (续) :
36
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
u1+
(2)t=0 ~ t1: uo1 (0) =+UOM , uo(0)
=0
ò-= dtu
RC
1
u o1o =-
OMU
RC
t
t=t1: uo (t=t1)
=
OM
2
1
L UR
R
U -=+
uo1从+UOM -UOM
t1
UOM
uo1
0
t
- UOM
U+L
U+H
uo
(a)
(b)
2
1 RC
R
Rt1=
将(b)式
代入(a)
式,可解
出:
三角波发生器电路2 (续) :
37
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
u1+
(3)t= t1~ t2: uo1 (t1) =-UOM , uo (t1) =
U+L
t=t2: uo (t=t2)
=
OM
2
1
H UR
R
U =+
uo1从-UOM +UOM 2
1 RC
R
Rt2=3
可解出:
UOM
uo1
0
t
- UOM
t1
U+L
U+H
uo
= uo
(t1)
u ò- dt=u
RC
1
o1o +
OMU
RC (t-t1)
OM
2
1 U
R
R
-
t1
t
t2
三角波发生器电路2 (续) :
38
(4)t= t2~ t3: uo1 (t2) =+UOM , uo (t2)
= U+H
t=t3: uo (t=t3)
=
OM
2
1
+L UR
R
U = -
uo1从+UOM -UOM 2
1 RC
R
Rt3=5
可解出:
= uo
(t2)
u ò- dt=u
RC
1
o1o -
OMU
RC (t-t2)
OM
2
1 U
R
R
t2
t
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
u1+
UOM
uo1
0
t
- UOM
t1
U+L
U+H
uo
t2
三角波发生器电路2 (续) :
t3
39
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
u1+
三角波发生器电路2 (续) :
UOM
uo1
0
t
- UOM
t1
U+L
U+H
uo
t2 t3
2
1 RC
R
R
三角波周期: T=2(t2-t1)=4
T
2
1 RC
R
Rt1=
2
1 RC
R
Rt2=3 t3=5
2
1 RC
R
R
三角波频率: f=1/T 40
改型电路1
调整电位器RW可以使三角波上下移动,而
且使三角波正负半周时间不相等.
－
+
+
－
+
+
A1 A2 uo
uo1
R02
R01
R
C
R2 R1
+E
-E
RW
41
改型电路2
t
uo
T1 T2
－
+
+
R2R1
-
+
+
R´
R2
C
uo
R
Uo1被嵌位
于±Uz
R决定T2,
R´决定T1
42
uo
tt
uo
T1 T2
当R´=0时
－
+
+
R2R1
-
+
+
R´
R2
C
uo
R
T1变为0
三角波发生器, 锯齿波发生器
43
