滞回比较器和施密特触发器,滞回特性比较器的设计实验过程

  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。

  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

  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   当u_I>v_h时，u_O跃变；但是u_I 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 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”。