滯回比較器的工作原理

為系統(tǒng)增加滯回控制，可以讓系統(tǒng)對(duì)于微小變化不那么敏感，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。本文討論如何滯回比較器的原理。

單限比較器

比較器一般來(lái)說(shuō)只輸出高低電平，如果運(yùn)放用作比較器，則無(wú)需工作在線性區(qū)。由于運(yùn)放自身放大倍數(shù)非常大，如果運(yùn)放的同相輸入端電壓比反相輸入端電壓大，哪怕只大一點(diǎn)點(diǎn)，那么運(yùn)放將輸出最大電壓值，對(duì)于“軌至軌”運(yùn)放來(lái)說(shuō)，這個(gè)最大電壓值將接近電源電壓Vcc;反之，如果運(yùn)放的反相輸入端比同相輸入端大，那么運(yùn)放將輸出最小電壓值，如果電源包含負(fù)電壓，那么最小的電壓值就是-Vcc，否則最小電壓值就是0。有些電路會(huì)增加輸出限壓，限制最大值與最小值為某個(gè)特定數(shù)值。本節(jié)為了方便描述，將最大的輸出電壓寫作Vcc，最小的輸出電壓寫作-Vcc。

我們可以將某一個(gè)輸入端連接參考電壓UREF，另一端連接待測(cè)電壓uI，即可比較參考電壓與待測(cè)電壓的大小。參考電壓就是輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖剑蛘哂傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖杰S變的閾值。此電路只存在一個(gè)閾值電壓，被稱為單限比較器。

圖 兩種單限比較器與電壓傳輸特性

滯回比較器

在單限比較器中，輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都會(huì)引起輸出電壓的躍變。不管這種微小變化是來(lái)源于輸入電壓還是來(lái)源于外部干擾。因此，雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。在單限比較器中加入正反饋，反相輸入端接輸入電壓，可以做成滯回比較器。它具有慣性，看上去反應(yīng)比較“慢”，對(duì)微小變化不敏感，有一定的抗干擾能力，因此稱為滯回比較器。

將運(yùn)放用作滯回比較器時(shí)，可以看出沒(méi)有負(fù)反饋，運(yùn)放并不工作在線性區(qū)。輸出電壓躍變時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)線性區(qū)，正反饋加快了經(jīng)過(guò)線性區(qū)速度。包含正反饋的比較器電路，也叫做施密特觸發(fā)器(Schmitt trigger)。

圖 滯回比較器及其電壓傳輸特性

在分析滯回比較器的工作原理時(shí)，可以根據(jù)輸入電壓的大小，分情況討論：

1、當(dāng)輸入電壓uI很小的時(shí)候，輸出電壓uO=Vcc，此時(shí)同相輸入端的電壓uN可以用電阻分壓公式求出：

為了方便描述，我們令vh等于這個(gè)公式，

2、輸入電壓uI逐漸變大，但是還小于vh的時(shí)候，由于運(yùn)放的同相輸入端始終大于反相輸入端，所以輸出電壓uO始終等于Vcc。

3、輸入電壓uI繼續(xù)變大，并且稍微大于vh的瞬間，由于運(yùn)放的同相輸入端小于反相輸入端，所以輸出電壓uO變?yōu)樽钚≈?Vcc。此后，就算uI繼續(xù)變大，輸出電壓也不變化。

此時(shí)可以求出同相輸入端的電壓：

為了方便描述，我們令vl等于這個(gè)公式，

4、輸入電壓uI開始減小， vl

當(dāng)uI>vh時(shí)，uO躍變;但是uI

5、如果輸入電壓uI繼續(xù)減小，稍微小于vl的瞬間，反相輸入端電壓小于同相輸入端，所以u(píng)O變?yōu)樽畲笾?。如果想讓uO重新變?yōu)樽钚≈?，需要uI>vh 。即uI在vl附近小幅度上下波動(dòng)，不會(huì)影響輸出。

在輸出電壓即將躍變的瞬間，正好同相輸入端與反相輸入端電壓相等，可以令uP=uN，此時(shí)求出的uI就是閾值電壓。上述的vh與vl就是這兩個(gè)閾值電壓。調(diào)節(jié)電阻R1與R2的值，可以改變閾值電壓。

從電壓傳輸特性曲線上可以看出，當(dāng)vl

帶參考電壓的滯回比較器

將滯回比較器同相輸入端的電壓由接地改為某個(gè)參考電壓UREF，可以將兩個(gè)閾值電壓向左或向右平移。

令uP=uN，可以求出閾值電壓：

以上是分析滯回比較器閾值電壓的通用公式。實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候可能會(huì)更簡(jiǎn)單點(diǎn)。R1，R2與UREF共同決定了電壓傳輸特性曲線左右平移的距離。如果沒(méi)有使用負(fù)電源，可以省略vl 的“-R1/(R1+R2) Vcc”。