为系统增加滞回控制,可以让系统对于微小变化不那么敏感,增强系统的抗干扰能力。本文讨论如何滞回比较器的原理。
单限比较器
比较器一般来说只输出高低电平,如果运放用作比较器,则无需工作在线性区。由于运放自身放大倍数非常大,如果运放的同相输入端电压比反相输入端电压大,哪怕只大一点点,那么运放将输出最大电压值,对于“轨至轨”运放来说,这个最大电压值将接近电源电压Vcc;反之,如果运放的反相输入端比同相输入端大,那么运放将输出最小电压值,如果电源包含负电压,那么最小的电压值就是-Vcc,否则最小电压值就是0。有些电路会增加输出限压,限制最大值与最小值为某个特定数值。本节为了方便描述,将最大的输出电压写作Vcc,最小的输出电压写作-Vcc。
我们可以将某一个输入端连接参考电压U_REF,另一端连接待测电压u_I,即可比较参考电压与待测电压的大小。参考电压就是输出电压由高电平变为低电平,或者由低电平变为高电平跃变的阈值。此电路只存在一个阈值电压,被称为单限比较器。
图 两种单限比较器与电压传输特性
滞回比较器
在单限比较器中,输入电压在阈值电压附近的任何微小变化,都会引起输出电压的跃变。不管这种微小变化是来源于输入电压还是来源于外部干扰。因此,虽然单限比较器很灵敏,但是抗干扰能力差。在单限比较器中加入正反馈,反相输入端接输入电压,可以做成滞回比较器。它具有惯性,看上去反应比较“慢”,对微小变化不敏感,有一定的抗干扰能力,因此称为滞回比较器。
将运放用作滞回比较器时,可以看出没有负反馈,运放并不工作在线性区。输出电压跃变时,会经过线性区,正反馈加快了经过线性区速度。包含正反馈的比较器电路,也叫做施密特触发器(Schmitt trigger)。
图 滞回比较器及其电压传输特性
在分析滞回比较器的工作原理时,可以根据输入电压的大小,分情况讨论:
1、当输入电压u_I很小的时候,输出电压u_O=Vcc,此时同相输入端的电压u_N可以用电阻分压公式求出:
为了方便描述,我们令vh等于这个公式,
2、输入电压u_I逐渐变大,但是还小于v_h的时候,由于运放的同相输入端始终大于反相输入端,所以输出电压u_O始终等于Vcc。
3、输入电压u_I继续变大,并且稍微大于v_h的瞬间,由于运放的同相输入端小于反相输入端,所以输出电压u_O变为最小值-Vcc。此后,就算u_I继续变大,输出电压也不变化。
此时可以求出同相输入端的电压:
为了方便描述,我们令vl等于这个公式,
4、输入电压u_I开始减小, v_l<u_I <v_h 的时候,此时由于反相输入端的电压仍大于同相输入端,所以u_O不会变化,仍然是-Vcc。
当u_I>v_h时,u_O跃变;但是u_I<v_h时,u_O却不变化,这就是滞回比较器跟单限比较器不同的地方。即使u_I在v_h附近小幅度上下波动,也不会影响输出。
5、如果输入电压u_I继续减小,稍微小于v_l的瞬间,反相输入端电压小于同相输入端,所以u_O变为最大值。如果想让u_O重新变为最小值,需要u_I>v_h 。即u_I在v_l附近小幅度上下波动,不会影响输出。
在输出电压即将跃变的瞬间,正好同相输入端与反相输入端电压相等,可以令u_P=u_N,此时求出的u_I就是阈值电压。上述的v_h与v_l就是这两个阈值电压。调节电阻R1与R2的值,可以改变阈值电压。
从电压传输特性曲线上可以看出,当v_l<u_I <v_h 的时候,u_O可能是Vcc,也可能是-Vcc。如果u_I是从小于v_l逐渐增大到v_l<u_I <v_h时,u_O=Vcc;如果u_I是从大于v_h逐渐减小到v_l<u_I <v_h时,u_O=-Vcc。滞回比较器的电压特性是有方向性的。
带参考电压的滞回比较器
将滞回比较器同相输入端的电压由接地改为某个参考电压U_REF,可以将两个阈值电压向左或向右平移。
令u_P=u_N,可以求出阈值电压:
以上是分析滞回比较器阈值电压的通用公式。实际应用的时候可能会更简单点。R1,R2与U_REF共同决定了电压传输特性曲线左右平移的距离。如果没有使用负电源,可以省略v_l 的“-R1/(R1+R2) Vcc”。