电路学习——经典运放电路之滞回比较器(施密特触发器)(2024.07.18)

参考链接1: 电子设计教程29:滞回比较器(施密特触发器)
参考链接2: 滞回比较器电路详细分析
参考链接3: 比较器精髓:施密特触发器,正反馈的妙用
参考链接4: 比较器反馈电阻选多大?理解滞后效应,轻松设计正反馈
参考链接5: 比较器基础知识及应用
参考链接6: 四种迟滞比较器
参考链接7: 滞回比较器介绍及高低阈值计算
参考链接8: 【讲堂】“片”(窗口)比较器电路原理图解
参考链接9: 【分享】运放比较器电路特性
参考链接10: 窗口电压比较器电路

  在此感谢各位前辈大佬的总结,写这个只是为了记录学习大佬资料的过程,内容基本都是搬运的大佬博客,觉着有用自己搞过来自己记一下,如果有大佬觉着我搬过来不好,联系我删。

1、什么是滞回比较器(施密特触发器)?

  首先,比较器长这样(见下图),滞回“比较器”,归根到底还是比较器,这里的滞回是指电路没有那么敏感,有一点的抗干扰能力(比如你信号有杂波,它可以“滤波”),滞回不是一个阈值点,而是创建不同的上升和下降阈值,这使得输出始终保持在低或高的状态。
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  滞回比较器长这样(见下图),可以看出与普通比较器区别是:多了个同相输入端与运放输出端通过电阻相连,也就是多了正反馈回路。
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2、反向迟滞比较器/滞回比较器(施密特触发器)原理应用

  反相滞回比较器:同相端输入基准电压,反向端输入检测信号,当输入电压高于Uth时,比较器输出低电平,当输入电压低于Utl时比较器输出高电平,在两者之间保持。
  在实际应用中,该电路通常用于保护某个值在一定范围内,这个范围可以人为设定,因此需要设置参考电压,如下图通过 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分压设定触发电压 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+R2R2VCC=10kΩ+10kΩ10kΩ5V=2.5V,反相输入端输入电压为 V i n V_{in} Vin,输出端电压为 V o V_o Vo
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  当 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时,由于比较器特性,输出 V o V_o Vo为低电平,即 0 V 0V 0V,那么分析相当于 V C C VCC VCC R 1 R_1 R1 R 2 / / R 4 R_2//R_4 R2//R4,等效电路图如下图仿真所示,设定 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,那么电阻分压后: 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//R4R2VCC=10kΩ+10kΩ//100kΩ10kΩ5V=10kΩ+9.09091kΩ10kΩ5V=2.381V
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  当 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时,设定 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,由于比较器特性,输出 V o V_o Vo V D D VDD VDD拉高为高电平,即 5 V 5V 5V,那么电路分析那么电阻分压后(相当于 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
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  可以看出,以上两个计算算出了两个 V A V_A VA分别为 2.381 V 2.381V 2.381V 2.609 V 2.609V 2.609V,因此下图中的 U l = 2.381 V U_l=2.381V Ul=2.381V U h = 2.609 V U_h=2.609V Uh=2.609V。如果输入的 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,输出就是低电平, 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,输出就是高电平。可以看出,中间相当于有一个缓冲区。
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  通过构建仿真电路,我们仿真一下上面计算的值对不对,橙色波形是输入的信号(这里采用的是三角波,方便查看电压值变化),红色波形是比较器输出的信号。
在这里插入图片描述在这里插入图片描述
  通过示波器,我们可以看到两个电压值分别为 2.414 V 2.414V 2.414V 2.714 V 2.714V 2.714V,与计算的值有一定的误差,目前还不确定该误差正常不正常,按理说仿真是理想的,应该与计算值无误的,这个以后看有机会确定一下这个误差来源吧。

3、同向迟滞比较器/滞回比较器(施密特触发器)原理应用

  同相滞回比较器:同相端输入检测信号,反向端输入基准电压,当输入电压高于Uth时,比较器输出高电平,当输入电压低于Utl时比较器输出低电平,在两者之间保持。
  类比于反向迟滞比较器,同向迟滞比较器的信号输入是在同相输入端,参考电压设置在反向输入端,同样是正反馈回路。这里就不贴图了。

4、疑惑点以及解答(比较器与运放的联系和区别)

4.1、比较器为啥加上拉电阻?

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  解惑:很多人会疑惑输出端为什么要加一个上拉电阻?
  答:相较于运放采用推挽输出的方式,比较器采用开集输出,需要加上拉电阻

4.2、比较器与运放用的场景

  运放一般工作在闭环负反馈状态(线性区),主要作用是对输入端信号进行放大;比较器工作在开环状态(非线性区),主要是对输入端的信号进行比较判别,翻转速度比较快
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  在对速度要求不高的时候,运放可以工作于开环当做比较器使用,但输出会受到电源轨的限制因此需要注意电平匹配问题。反过来电压比较器在大部分情况下不能作为运放使用,主要是由于比较器没有做相位补偿闭环容易不稳定。

4.3、输出信号的形式与响应速度

  相较于运放输出的是模拟信号,比较器输出的是高低电平对应数字的0和1集电极开路使其可兼容TTL或CMOS
  相较于运放,比较器的响应速度比较快,这也是由于其内部没有做相位补偿的缘故。

5、滞回比较器拓展之窗口比较器

  将两个滞回比较器搭配使用,可以做出一个窗口比较器,下限运放的正端接的被测信号,负端则是基准。而上限运放正端接基准,负端接被测信号。本电路有两个基准比较端,整定值分别为+5V和-5V。由电路结构可知,只要+5V>IN>-5V,换言之,只在输入信号在+5V~-5C“该片范围”之内,电路就会维持原态(或称静态)的高电平输出状态。反之,IN信号要么高于+5V,要么低于-5V,只要出离了“该片范围”,N1(或N2)的输出端即会翻转,变成低电平状态。

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  这里假设输入为( − 5 V , + 5 V -5V,+5V 5V+5V),上面部分同相输入端电压大于反向输入端电压,那么输出被R5拉高;下面部分同相输入端电压大于反向输入端电压,那么也是输入端被R5拉高,所以上下两个输出都是高电平。具体这里不在分析,可以参考上面的分析计算;
  这里假设输入为( − ∞ -∞ − 5 V -5V 5V)、( 5 V 5V 5V,+∞),上面部分同相输入端电压小于反向输入端电压,那么输出为低电平(这里是双电源供电,应该是输出-15V);下面部分同相输入端电压大于反向输入端电压,因为比较器是开路集电极输出(这个意思就是集电极什么都没有接,所以在这里,下面的比较器输出端被上面运放输出端拉低至0V),所以输出是低电平。
  可以看到这里没有正反馈电阻,当然你也可以添加正反馈电阻,这个正反馈电阻一般取100KΩ。

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