【導(dǎo)讀】在本實(shí)驗(yàn)中，我們將運(yùn)算放大器配置為開關(guān)模式，以實(shí)現(xiàn)電壓比較器的功能。電壓比較器電路的作用是通過(guò)輸出電壓的兩個(gè)不同狀態(tài)，表征兩輸入電壓的相對(duì)狀態(tài)。這種比較使用兩個(gè)輸入電壓之差的正負(fù)，輸出兩個(gè)可能輸出值中的一個(gè)，具體的輸出值由規(guī)定的相減方式?jīng)Q定。
對(duì)于運(yùn)算放大器比較器，我們可以將單輸入 VD 視為兩輸入信號(hào)V+和V–之間的差異。而輸出電壓 VO可以獲取兩個(gè)可能值中的一個(gè)：
● VO = VOH （高），意味著V+ > V– (vD > 0)
● VO = VOL （低），意味著V+ < V– (vD < 0)
我們將閾值電壓 VTh 當(dāng)做輸入電壓 vI 的特定值（或值），在該值時(shí)輸出端開啟（設(shè)置VD = 0)。
需要考慮兩種主要的電壓比較器：
● 簡(jiǎn)單比較器：無(wú)反饋，只有一個(gè)閾值電壓。
● 遲滯比較器：有正反饋和兩個(gè)閾值電壓。
材料：
● ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無(wú)焊面包板和跳線套件
● 三個(gè)10 kΩ電阻
● 一個(gè)20 kΩ電阻
● 一個(gè)OP97（低壓擺率放大器隨附新版本 ADALP2000 模擬部件套件）或OP37
簡(jiǎn)單比較器
背景知識(shí)：
將運(yùn)算放大器配置為比較器，便可利用運(yùn)算放大器的高固有增益和輸出飽和效應(yīng)，如圖1所示。這基本上屬于二元狀態(tài)決策電路：如果正極(+)端口的電壓大于負(fù)極(–)端口的電壓，即VIN > VREF，輸出會(huì)增高（在最大值時(shí)達(dá)到飽和）。相反，如果 VIN < VREF ，則輸出走低。電路比較兩個(gè)輸入端的電壓，根據(jù)相對(duì)值產(chǎn)生輸出。與之前所有電路不同，輸入和輸出之間沒有反饋；我們說(shuō)電路是開環(huán)運(yùn)行的。
圖1.運(yùn)算放大器用作比較器。
硬件設(shè)置：
比較器的使用方式不同，在以后的實(shí)驗(yàn)中我們會(huì)看到它的實(shí)際應(yīng)用。在這里，我們將以常見配置使用比較器，生成具有可變脈沖寬度的方波。
首先關(guān)閉電源并組裝電路。與求和放大器電路一樣，使用第二個(gè)波形發(fā)生器輸出作為直流源 VREF，將幅度更改為零，且將輸出偏置降低到最低，以便您在實(shí)驗(yàn)期間可以從零開始調(diào)節(jié)。
圖2.比較器面包板電路。
將波形發(fā)生器 VIN 配置為頻率1 kHz幅值2 V峰峰值正弦波。開啟電源，在VREF 為O V時(shí)，導(dǎo)出輸出波形。
然后，緩慢增大 VREF 觀察會(huì)發(fā)生什么情況。記錄VREF = 1 V的輸出波形。繼續(xù)增大VREF，直到超過(guò)2 V，觀察會(huì)發(fā)生什么情況。您能予以解釋嗎？
對(duì)三角輸入波形重復(fù)以上步驟，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄觀察到的結(jié)果。
步驟：
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供幅度2 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵(lì)。向運(yùn)算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)生的波形如圖3所示。
圖3.比較器波形。
遲滯比較器
遲滯是指系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)依賴于決定該狀態(tài)量的先前值。輸出值并不是對(duì)應(yīng)輸入的嚴(yán)格函數(shù)，它包含了一些滯后、延遲或過(guò)往依賴性。特別是，對(duì)輸入變量降低的響應(yīng)與對(duì)輸入變量增高的響應(yīng)是不同的。
在此配置中，包含兩個(gè)閾值 VThH 和 VThL,以及兩個(gè)輸出值 VOH 和 VOL。閾值應(yīng)該依賴于輸出值，輸出值反饋至輸入，成為閾值中的一部分（正反饋）。通過(guò)電阻分壓器，將輸出電壓的一部分反饋至同相輸入。
分析遲滯比較器時(shí)，我們必須考慮遲滯的方向變換這個(gè)問(wèn)題，以及在某些時(shí)刻，只有一個(gè)閾值保持活動(dòng)這個(gè)事實(shí)。
輸入信號(hào)觸發(fā)輸出變化，正反饋會(huì)維持這個(gè)變化。
同相遲滯比較器
背景知識(shí)：
請(qǐng)看圖4所示的電路。
圖4.同相遲滯比較器。
在圖4所示的同相遲滯比較器電路中，VIN被應(yīng)用于運(yùn)算放大器的同相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋，通過(guò)相同的電阻分壓器提供VIN。
反饋量由使用的兩個(gè)電阻的電阻比決定（在此情況下，比率為1/2）。
我們可以使用以下公式計(jì)算閾值電壓：
鑒于 VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值：
oninver
硬件設(shè)置：
為同相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
圖5.同相遲滯比較器面包板電路。
步驟：
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN 源，向電路提供幅度6 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵(lì)。向運(yùn)算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)生的波形如圖6所示。
圖6.同相遲滯比較器波形。
在圖7中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關(guān)的信號(hào)的走向）。比較計(jì)算得出的閾值電壓值與測(cè)量到的電壓值。
圖7.同相遲滯比較器XY圖。
反相遲滯比較器
背景知識(shí)：
請(qǐng)看圖8所示的電路。
圖8.反相遲滯比較器。
在圖8所示的反相遲滯比較器電路中，VIN被應(yīng)用于運(yùn)算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋。
被應(yīng)用于運(yùn)算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋。
我們可以使用以下公式計(jì)算閾值電壓：
鑒于VD = 0, VIN → VTh,我們可以得出以下閾值：
硬件設(shè)置：
為反相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
圖9.反相遲滯比較器面包板電路。
步驟：
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作 VIN源，向電路提供幅度為6 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵(lì)。向運(yùn)算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)生的波形如圖10所示。
圖10.反相遲滯比較器波形。
在圖11中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關(guān)的信號(hào)的走向）。比較計(jì)算得出的閾值電壓值與測(cè)量到的電壓值。
圖11.反相遲滯比較器XY圖。
帶不對(duì)稱閾值的反相遲滯比較器
背景知識(shí)：
請(qǐng)看圖12所示的電路。
圖12.帶不對(duì)稱閾值的反相遲滯比較器。
圖12所示的帶不對(duì)稱閾值電路的反向比較器，使用了額外的基準(zhǔn)電壓VREF 。電阻R1和R2在比較器上構(gòu)成分壓器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)同相輸入上的部分輸出電壓提供正反饋，此外有部分VREF通過(guò)相同的分壓器。
我們可以使用以下公式計(jì)算閾值電壓：
鑒于VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值：
硬件設(shè)置：
為反相遲滯比較器構(gòu)建以下面包板電路。
圖13.帶不對(duì)稱閾值的反相遲滯比較器的面包板。
步驟：
將第一個(gè)波形發(fā)生器用作VIN源，向電路提供幅度為6 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵(lì)，將第二個(gè)波形發(fā)生器用作2 V恒定基準(zhǔn)電壓。向運(yùn)算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示輸入信號(hào)，通道2上顯示輸出信號(hào)。
產(chǎn)生的波形如圖14所示。
圖14.帶不對(duì)稱閾值的反相遲滯比較器的波形。
在圖15中，您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性（圖中箭頭表示與閾值相關(guān)的信號(hào)的走向）。比較計(jì)算得出的閾值電壓值與測(cè)量到的電壓值。
圖15.帶不對(duì)稱閾值的反相遲滯比較器的XY圖。
問(wèn)題：
計(jì)算所有4個(gè)比較器設(shè)置（簡(jiǎn)單、同相遲滯、反向遲滯和不對(duì)稱閾值）的閾值電壓，比較計(jì)算得出的值與通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟得出的值。
額外實(shí)驗(yàn)
對(duì)于先完成實(shí)驗(yàn)，或者想要接受額外挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)人員，看看您是否能夠使用輸出端的紅色和綠色LED（來(lái)自上次實(shí)驗(yàn)）來(lái)修改比較器電路，使紅色LED在負(fù)電壓時(shí)亮起，綠色LED在正電壓時(shí)亮起。將頻率降低至1 Hz（或更低），以便看到它們實(shí)時(shí)開關(guān)。不要忘記，LED需要使用限流電阻，以便流經(jīng)LED的電流不會(huì)超過(guò)20 mA。
您也可以對(duì)具備多個(gè)電壓電平的電路實(shí)施上述示例實(shí)驗(yàn)，如圖16中的電路所示。
圖16.使用LED的電壓電平指示器。
材料：
● ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無(wú)焊面包板和跳線套件
● 三個(gè)470 Ω電阻
● 一個(gè)10 kΩ電阻
● 兩個(gè)20 kΩ電阻
● 三個(gè)LED（紅色、綠色、黃色）
● 一個(gè) ADTL082 （兩個(gè)集成式運(yùn)算放大器）
該電路使用一個(gè)分壓器（R1、R2、R3）分別為兩個(gè)比較器獲取一個(gè)閾值。基于這些閾值和輸入電壓，一次亮起一個(gè)LED（D1、D2、D3）。
練習(xí)：
● 根據(jù)圖16所示的電路，計(jì)算閾值電壓。確定對(duì)于每個(gè)輸入電壓范圍，哪個(gè)LED亮起。
● 構(gòu)建面包板電路。向運(yùn)算放大器提供±5 V電源電壓。使用信號(hào)生成器的第一個(gè)信道生成可變輸入電壓(VIN)，使用第二個(gè)信道生成5 V恒定基準(zhǔn)電壓。
圖17.使用LED的電壓電平指示器。
在0 V至5 V之間變換輸入電壓，觀察LED的行為。
這種類型的電路也被稱為窗口比較器。關(guān)于這種主題的應(yīng)用，可以參考實(shí)驗(yàn)：使用窗口比較器實(shí)施溫度控制。
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