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參考鏈接1: 電子設計教程29:滯回比較器(施密特觸發(fā)器)
參考鏈接2: 滯回比較器電路詳細分析
參考鏈接3: 比較器精髓:施密特觸發(fā)器,正反饋的妙用
參考鏈接4: 比較器反饋電阻選多大?理解滯后效應,輕松設計正反饋
參考鏈接5: 比較器基礎知識及應用
參考鏈接6: 四種遲滯比較器
參考鏈接7: 滯回比較器介紹及高低閾值計算
參考鏈接8: 【講堂】“片”(窗口)比較器電路原理圖解
參考鏈接9: 【分享】運放比較器電路特性
參考鏈接10: 窗口電壓比較器電路
??在此感謝各位前輩大佬的總結,寫這個只是為了記錄學習大佬資料的過程,內容基本都是搬運的大佬博客,覺著有用自己搞過來自己記一下,如果有大佬覺著我搬過來不好,聯(lián)系我刪。
電路學習——經典運放電路之滯回比較器(施密特觸發(fā)器)(2024.07.18)
- 1、什么是滯回比較器(施密特觸發(fā)器)?
- 2、反向遲滯比較器/滯回比較器(施密特觸發(fā)器)原理應用
- 3、同向遲滯比較器/滯回比較器(施密特觸發(fā)器)原理應用
- 4、疑惑點以及解答(比較器與運放的聯(lián)系和區(qū)別)
- 4.1、比較器為啥加上拉電阻?
- 4.2、比較器與運放用的場景
- 4.3、輸出信號的形式與響應速度
- 5、滯回比較器拓展之窗口比較器
1、什么是滯回比較器(施密特觸發(fā)器)?
??首先,比較器長這樣(見下圖),滯回“比較器”,歸根到底還是比較器,這里的滯回是指電路沒有那么敏感,有一點的抗干擾能力(比如你信號有雜波,它可以“濾波”),滯回不是一個閾值點,而是創(chuàng)建不同的上升和下降閾值,這使得輸出始終保持在低或高的狀態(tài)。
??滯回比較器長這樣(見下圖),可以看出與普通比較器區(qū)別是:多了個同相輸入端與運放輸出端通過電阻相連,也就是多了正反饋回路。
2、反向遲滯比較器/滯回比較器(施密特觸發(fā)器)原理應用
??反相滯回比較器:同相端輸入基準電壓,反向端輸入檢測信號,當輸入電壓高于Uth時,比較器輸出低電平,當輸入電壓低于Utl時比較器輸出高電平,在兩者之間保持。
??在實際應用中,該電路通常用于保護某個值在一定范圍內,這個范圍可以人為設定,因此需要設置參考電壓,如下圖通過 V C C = 5 V VCC=5V VCC=5V、 R 1 = 10 k Ω R_1=10kΩ R1?=10kΩ、 R 2 = 10 k Ω R_2=10kΩ R2?=10kΩ分壓設定觸發(fā)電壓 V A V_A VA?,那么 V A = R 2 R 1 + R 2 ? V C C = 10 k Ω 10 k Ω + 10 k Ω ? 5 V = 2.5 V V_A=\frac{R_2}{R_1+R_2}*VCC=\frac{10kΩ}{10kΩ+10kΩ}*5V=2.5V VA?=R1?+R2?R2???VCC=10kΩ+10kΩ10kΩ??5V=2.5V,反相輸入端輸入電壓為 V i n V_{in} Vin?,輸出端電壓為 V o V_o Vo?。
??當 V i n < V A V_{in}<V_A Vin?<VA?,即 V i n < 2.5 V V_{in}<2.5V Vin?<2.5V時,由于比較器特性,輸出 V o V_o Vo?為低電平,即 0 V 0V 0V,那么分析相當于 V C C VCC VCC、 R 1 R_1 R1?、 R 2 / / R 4 R_2//R_4 R2?//R4?,等效電路圖如下圖仿真所示,設定 V C C = 5 V VCC=5V VCC=5V、 V D D = 5 V VDD=5V VDD=5V、 R 1 = 10 k Ω R_1=10kΩ R1?=10kΩ、 R 2 = 10 k Ω R_2=10kΩ R2?=10kΩ、 R 3 = 10 k Ω R_3=10kΩ R3?=10kΩ、 R 4 = 100 k Ω R_4=100kΩ R4?=100kΩ,那么電阻分壓后: V A = R 2 R 1 + R 2 / / R 4 ? V C C = 10 k Ω 10 k Ω + 10 k Ω / / 100 k Ω ? 5 V = 10 k Ω 10 k Ω + 9.09091 k Ω ? 5 V = 2.381 V V_A=\frac{R_2}{R_1+R_2//R_4}*VCC=\frac{10kΩ}{10kΩ+10kΩ//100kΩ}*5V=\frac{10kΩ}{10kΩ+9.09091kΩ}*5V=2.381V VA?=R1?+R2?//R4?R2???VCC=10kΩ+10kΩ//100kΩ10kΩ??5V=10kΩ+9.09091kΩ10kΩ??5V=2.381V。
??當 V i n > V A V_{in}>V_A Vin?>VA?,即 V i n > 2.5 V V_{in}>2.5V Vin?>2.5V時,設定 V C C = 5 V VCC=5V VCC=5V、 V D D = 5 V VDD=5V VDD=5V、 R 1 = 10 k Ω R_1=10kΩ R1?=10kΩ、 R 2 = 10 k Ω R_2=10kΩ R2?=10kΩ、 R 3 = 10 k Ω R_3=10kΩ R3?=10kΩ、 R 4 = 100 k Ω R_4=100kΩ R4?=100kΩ,由于比較器特性,輸出 V o V_o Vo?被 V D D VDD VDD拉高為高電平,即 5 V 5V 5V,那么電路分析那么電阻分壓后(相當于 V C C VCC VCC、 R 1 / / ( R 3 + R 4 ) R_1//(R_3+R_4) R1?//(R3?+R4?)、 R 2 R_2 R2?): V A = 2.609 V V_A=2.609V VA?=2.609V。
??可以看出,以上兩個計算算出了兩個 V A V_A VA?分別為 2.381 V 2.381V 2.381V、 2.609 V 2.609V 2.609V,因此下圖中的 U l = 2.381 V U_l=2.381V Ul?=2.381V、 U h = 2.609 V U_h=2.609V Uh?=2.609V。如果輸入的 V i n < U l V_{in}<U_l Vin?<Ul?,即 V i n < 2.381 V V_{in}<2.381V Vin?<2.381V,輸出就是低電平, V i n > U h V_{in}>U_h Vin?>Uh?,即 V i n > 2.609 V V_{in}>2.609V Vin?>2.609V,輸出就是高電平。可以看出,中間相當于有一個緩沖區(qū)。
??通過構建仿真電路,我們仿真一下上面計算的值對不對,橙色波形是輸入的信號(這里采用的是三角波,方便查看電壓值變化),紅色波形是比較器輸出的信號。
??通過示波器,我們可以看到兩個電壓值分別為 2.414 V 2.414V 2.414V、 2.714 V 2.714V 2.714V,與計算的值有一定的誤差,目前還不確定該誤差正常不正常,按理說仿真是理想的,應該與計算值無誤的,這個以后看有機會確定一下這個誤差來源吧。
3、同向遲滯比較器/滯回比較器(施密特觸發(fā)器)原理應用
??同相滯回比較器:同相端輸入檢測信號,反向端輸入基準電壓,當輸入電壓高于Uth時,比較器輸出高電平,當輸入電壓低于Utl時比較器輸出低電平,在兩者之間保持。
??類比于反向遲滯比較器,同向遲滯比較器的信號輸入是在同相輸入端,參考電壓設置在反向輸入端,同樣是正反饋回路。這里就不貼圖了。
4、疑惑點以及解答(比較器與運放的聯(lián)系和區(qū)別)
4.1、比較器為啥加上拉電阻?
??解惑:很多人會疑惑輸出端為什么要加一個上拉電阻?
??答:相較于運放采用推挽輸出的方式,比較器采用開集輸出,需要加上拉電阻。
4.2、比較器與運放用的場景
??運放一般工作在閉環(huán)負反饋狀態(tài)(線性區(qū)),主要作用是對輸入端信號進行放大;比較器工作在開環(huán)狀態(tài)(非線性區(qū)),主要是對輸入端的信號進行比較判別,翻轉速度比較快。
??在對速度要求不高的時候,運放可以工作于開環(huán)當做比較器使用,但輸出會受到電源軌的限制因此需要注意電平匹配問題。反過來電壓比較器在大部分情況下不能作為運放使用,主要是由于比較器沒有做相位補償閉環(huán)容易不穩(wěn)定。
4.3、輸出信號的形式與響應速度
??相較于運放輸出的是模擬信號,比較器輸出的是高低電平對應數(shù)字的0和1,集電極開路使其可兼容TTL或CMOS。
??相較于運放,比較器的響應速度比較快,這也是由于其內部沒有做相位補償?shù)木壒省?/p>
5、滯回比較器拓展之窗口比較器
??將兩個滯回比較器搭配使用,可以做出一個窗口比較器,下限運放的正端接的被測信號,負端則是基準。而上限運放正端接基準,負端接被測信號。本電路有兩個基準比較端,整定值分別為+5V和-5V。由電路結構可知,只要+5V>IN>-5V,換言之,只在輸入信號在+5V~-5C“該片范圍”之內,電路就會維持原態(tài)(或稱靜態(tài))的高電平輸出狀態(tài)。反之,IN信號要么高于+5V,要么低于-5V,只要出離了“該片范圍”,N1(或N2)的輸出端即會翻轉,變成低電平狀態(tài)。
??這里假設輸入為( ? 5 V , + 5 V -5V,+5V ?5V,+5V),上面部分同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓,那么輸出被R5拉高;下面部分同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓,那么也是輸入端被R5拉高,所以上下兩個輸出都是高電平。具體這里不在分析,可以參考上面的分析計算;
??這里假設輸入為( ? ∞ -∞ ?∞, ? 5 V -5V ?5V)、( 5 V 5V 5V,+∞),上面部分同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓,那么輸出為低電平(這里是雙電源供電,應該是輸出-15V);下面部分同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓,因為比較器是開路集電極輸出(這個意思就是集電極什么都沒有接,所以在這里,下面的比較器輸出端被上面運放輸出端拉低至0V),所以輸出是低電平。
??可以看到這里沒有正反饋電阻,當然你也可以添加正反饋電阻,這個正反饋電阻一般取100KΩ。