基於運放搭建的正、反向比較器電路,只有一個門限電壓,其電路穩定性差,特別是在門限電壓附近,若是遇到一定的噪音干擾,則比較器的輸出,時而最大,時而最小,穩定性差;
為了提高穩定性,我們可以采用正反饋的比較器電路,即遲滯比較器電路。其電路有兩個門限電壓,具有一定的延遲特性,穩定性良好。
需求一: 如果我們需要設計一個比較系統,在2.5v以上輸出高信號,2.5v以下輸出低信號,默認0.1v左右的抗干擾性能。那么針對這個系統,其上限門電壓為2.5+0.1/2=2.55v;其下門限電壓為2.5-0.1/2=2.45v;0.1v=Vph-Vpl求出R1/R2=49.
下面我們再來計算系統需要施加的參考電壓Vref為多少?通過上下限電壓的任意一個即可計算出Vref=2.5V即可。

下面我們來看一下,這個電路,這個遲滯比較器其實就是施密特觸發器電路的原型。其輸出為Vin>2.55v,輸出為o,vin<2.45v時,輸出為正;當電壓介於兩者之間時,輸出狀態不確定,跟VOUT的上一狀態有關。那么這個電路的穩定性如何呢,假設輸出電壓為2.4v、2.48v、2.5v、2.53v、2.48v,2.52v。來來回回在2.5v附近跳動,這個時候你就發現這個電路的好處了,穩定性極好。根據其輸出曲線,可以看到其輸出結果為5v、5v、5v、5v、5v、5v。可以看到輸出很穩定,一直沒發生改變,抗干擾性好。這個電路跟我們的需求是相反的,其在vin>2.5v時,輸出為0,而我們要求輸出為正最大值。因此還需要進一步改進,如下:

通過可調電阻vr1,提供需要的參考電壓,這里調節為2.5v。為什么要增加一級射極跟隨電路呢,簡單的通過分壓可以獲得任意所需的參考電壓,但這種參考電壓的其輸出電阻較大(相當於可調電阻VR1的兩個電阻的並聯值),如果想讓它作為一個電壓源,則其內阻應該很小,這顯然不符合要求。如果直接為下一級電路工作,例如直接連接到R2,則VREF=2.5v的電壓必然發生改變;如果增加一個射極跟隨器電路,其優點是輸入電阻高,輸出電阻小。其輸出電阻小,作為下一級的輸入,相當於輸入電阻小,可以看做電壓源。


遲滯比較器的應用范圍很廣,他相對於普通的比較器而言,接入了一個正反饋,所以有了一個遲滯范圍,具體情況我們在下面進行分析,所以搞干擾性能很好。對於輸入信號有抖動的情況下可以保證輸出電平的穩定。下面我們來分析一下這個電路。
提到比較器,那么肯定會有一個基准,我們稱其為Vref,也就是圖中的那個3V的穩壓管。500Ω的電阻是穩壓管的偏置電阻,限流作用。這個Vref通過100K電阻加到了358的同相端,同時,Vout也通過20K的正反饋加到了358的同相端,這兩個電壓是疊加的,那么根據疊加定理,可以寫出同相端電壓(Vp)的公式。
Vp=Vref*20K/(100K+20K)+Vout*100K/(100K+20K)
其門限為:
Uh=Vref*20K/(100K+20K)+Voh*100K/(100K+20K)
Ul=Vref*20K/(100K+20K)+Vol*100K/(100K+20K)
門限寬度為:
∆U=Uh-Ul=(Voh-Vol)*100K/(100K+20K)
由358的datasheet可知,358的輸出擺幅為0-(Vcc-1.5),代入上式計算,所以該比較器的門限電壓為:
Uh=4.25V Ul=0.5V
∆U=3.75V
即本電路的滯回范圍是4.25-0.5=3.75V。
當反相端輸入電壓超過4.25V時,比較器輸出低電平0V,當反相端電壓即輸入電壓降至0.5V以下時,比較器翻轉,輸出高電平Vcc-1.5V即,4.5V。
同時,由上面公式可知,門限寬度與基准電壓無關,只與輸出擺幅和兩電阻大小相關。
此電路也可設計成同相端輸入的,基准放在反相端,感興趣的同學可以試一下,公式的推導與上面類似。
