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。