迟滞电压比较器

简介

 

  电压比较器可以用于电压比较、电平检测,还可以实现将正弦波转为方波的功能。相比于单门限比较器,迟滞电压比较器利用上门限和下门限,增强了抗噪能力;由于电路常采用正反馈,因此能有效避免自激振荡现象的出现。

 

 

单门限电压比较器

 

              

 

  集成运放构成的一些加减法、微积分电路都是工作在运放的线性区域的,而比较器则利用了运放非线性区电压饱和的特性(上左图描述了运放的传输特性)。最简单的比较器——单门限比较器结构如上右图所示,其中运放通常选择集成电压比较器(较窄的线性区和较快的响应速度),如LM339。

  我们可以很容易地写出该比较器输出和输入的关系$v_o=\begin{cases} v_{omax} & \text{ , } v_i > v_{REF}\\ v_{omin} & \text{ , } v_i < v_{REF} \end{cases}$。$v_{REF}$是设置的参考电压,$v_{omax}$和$v_{omin}$一般绝对值相等,符号相反,与运放的最大饱和输出幅值相关(也可以在输出端接稳压管限幅)。

  如果将$v_{REF} $设置为0,$v_i$输入为正弦波,则不难想到:在正弦波的正半周期,比较器输出$v_{omax}$;在正弦波的负半周期,比较器输出$v_{omin}$。这样看似完成了电压的比较,但是如果输入的正弦波有微小的噪声扰动,势必导致比较结果的不稳定(如下图所示)。

 

 

 

迟滞比较器

 

            

 

  迟滞特性一定程度上解决了噪声扰动的问题。如上右图,当输入从最小向最大变化过程中,一旦达到一个阈值电压$V_{UT}$,输出由$V_{OM}$跳变为$-V_{OM}$(反向组态时);而当输入从最大向最小变化过程中,一旦达到另一个阈值电压$V_{LT}$,输出由$-V_{OM}$跳变为$V_{OM}$ ;这里的两个阈值电压间的宽度$V_H=V_{UT}-V_{LT}$就被称为迟滞宽度,反映了比较器的迟滞特性。这种迟滞带来的结果就是:当输入在中心电压$V_{ctr}$处附近扰动时,只要没有触碰到两边的阈值界限,输出就始终不会发生改变;实际上,中心电压$V_{ctr}$才是我们期望的门限值。

  尽管迟滞在抗扰动方面表现出色,但这也决定了它在小信号比较领域的受限情况,因为微小的输入信号很可能无法突破阈值边界,从而被误认为是噪声。

  电路设计中,需要根据需求设定上下限阈值和中心电压,故需要对其作进一步分析:

$\frac{V_R-V_+}{R}= \frac{V_+-V_o}{nR}$

$ V_+=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_o , V_-=V_i$

  根据跳变时的条件$V_-=V_+$,得到:

  $ V_i=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_o $

$ V_{LT}=\frac{n}{1+n}V_R-\frac{1}{1+n}V_{OM} $

$ V_{UT}=\frac{n}{1+n}V_R+\frac{1}{1+n}V_{OM} $

$V_H=V_{UT}-V_{LT}=\frac{2}{1+n}V_{OM} $

$V_{ctr}=\frac{V_{UT}+V_{LT}}{2}=\frac{n}{1+n}V_R $

  由上述结论可以发现,当参考电压和输出峰值确定,迟滞宽度和中心电压的调整都依赖于系数n,其中一方确定,另一方也被定了下来。因此这种电路不能较好地满足设计需求。

 

 

改进的迟滞比较器

 

 

  上图将输出端和参考电压接在了运放的同相端,构成了同向的电压比较器。根据节点电流关系,可得:

$\frac{V_R-V_+}{mR}+ \frac{V_I-V_+}{R}+\frac{V_o-V_+}{nR}=0$

  当$V_+=V_-=0V$,输出发生跳转,此时:

$V_I=-\frac{V_R}{m}-\frac{V_o}{n}$

$V_{LT}=-\frac{V_R}{m}-\frac{V_{OM}}{n}$

$V_{UT}=-\frac{V_R}{m}+\frac{V_{OM}}{n}$

$V_H=V_{UT}-V_{LT}=\frac{2}{n}V_{OM} $

$V_{ctr}=\frac{V_{UT}+V_{LT}}{2}=-\frac{1}{m}V_R $

  通过公式可知,n控制迟滞宽度,m控制中心电压,这样就实现了完美的分离。

 

 

 

正弦波转方波

  

  通过比较器将正弦波转为方波,最后方波的占空比主要取决于中心电压的选择,而回差电压主要起着抗扰动的作用,同时在一定程度上会使占空比偏离设计值。

  本次设计,输入的正弦波峰值为5V,中心电压值设置为2.5V,那么占空比就为1/3;回差电压大约取0.3V的样子;$V_{OM} =14.8V$,$V_R =-15V$,综上计算得到$m=6,n=100$;$V_{LT} \approx 2.452V$,$V_{UT} \approx 2.648V$;下面是实验所用电路图。

   

 

  时域观测其输入和输出波形,结果的占空比基本是符合理论计算的。但是上下门限似乎都发生了一定的延迟,估计是运放本身的原因,这个现象在高频时更加明显,并且由于运放的线性区不能做得无限窄,因此要将这种比较器应用于高频电路中还是有困难的。

  

 

  下面分别展示了信号输入频率为$100KHz$和$2MHz$下的波形关系,在$2MHz$,输出的方波甚至变为了类三角波。

  

 

 

 

 

  

 

posted @ 2020-04-02 10:16  KenSporger  阅读(10061)  评论(0编辑  收藏  举报