滞回比较器电路详细分析

1.概述

滞回比较器是一种用于检测两个不同电压值并使比较器输出高电平或低电平的电路。滞回比较器的特点是具有迟滞特性，即当输入电压高于某一阈值时，比较器输出高电平，当输入电压低于另一阈值时，比较器输出低电平，而在这两个阈值之间，比较器的输出保持不变。

比较器通常有两个模拟电压输入端UIN+和UIN-以及一个数字状态输出端UOUT。当UIN+大于UIN-时，UOUT为高电平；当UIN+小于UIN-时，UOUT为低电平。根据具体的系统定义，这两种电位的具体数值可以有所不同。例如，在常见的数字系统中，有些用3.3V代表高电平，0V代表低电平，也有用+12V代表高电平，-12V代表低电平。

滞回比较器的主要应用是为系统增加滞回控制，这可以让系统对于微小变化不那么敏感，从而增强系统的抗干扰能力。此外，根据不同的应用场景和需求，滞回比较器还可能涉及诸如开漏极输出、开集极输出和推挽输出等不同的输出架构。

滞回比较器的工作原理是：设置两个阈值，一个上阈值和一个下阈值。当输入信号上升并超过上阈值时，比较器的输出就会改变状态；当输入信号下降并低于下阈值时，比较器的输出又会改变状态。

滞回比较器的主要用途是消除由噪声引起的不稳定状态，因此它们通常用于噪声环境下的阈值检测和信号调理。

2.电路分析

2.1电路搭建

我们知道滞回比较器其实是比较器的一种，那么它的输出：

1. 同向输入端 > 反向输入端 = 输出高电平；
2. 同向输入端 < 反向输入端 = 输出低电平；

由上图可知：同向输入端的输入电压为反馈电压，而输出端的电压只有两种

1. 高电平12V；
2. 低电平0V；

所以可以推算出：

1.当输出端为高电平时，反馈回路：

进一步等效为：

由此可得出结论：输出端为高电平时，同向输入端的输入电压为8V。

2.当输出端为低电平时，反馈回路：

进一步等效为：

由此可得出结论：输出端为低电平时，同向输入端的输入电压为4V。
所以，同向输入端的输入电压只可能是4V或8V。

2.2电路分析

由2.1可知，同向输入端的输入电压，那么在反向输入端加载输入电压时，同向输入端和输出端会有什么变化呢？滞回比较器又是如何滤除噪声的呢？

1.整体测试电路

2.电压源设置
幅值为12V的正弦波，频率100Hz

3. 仿真结果

4. 阶段性分析

1）上升阶段

• 比较器在反向输入端输入电平 <4V 时，比较器输出端输出12V高电平，比较器同向输入端电压 = 8V；
• 比较器反向输入端输入电平 > 8V ,比较器同向输入端电压 < 反向输入端电压，比较器输出低电平，同向输入端电压 = 4V;

2）下降阶段

• 由上升阶段可知此时：比较器输出低电平，同向输入端电压 = 4V;
• 比较器反向输入端输入电平 > 4V 时，比较器输出端输出0V低电平；
• 比较器反向输入端输入电平 < 4V 时，比较器同向输入端电压 > 反向输入端电压，比较器输出高电平，正向输入端电压 = 8V。

2.3 公式计算推导

推导电路如下所示，现在根据电路参数去反推导滞回比较器的高低电平阈值，即VH和VL。
根据比较器电路,并由本文第二部分电路分析可知：

1. (Vcc●(R2||R4)）/ ((R2||R4)+R1) = VL;
2. (Vcc●R4) / (R4+(R1||R2)) = VH;
   若：
3. Vcc = 5V;
4. R2 = 40K;
5. R1 = 6.2K;
6. R4 = 10.7K;
   带入以上参数：
   R2||R4 = (R2 ● R4) / (R2+R4) = 428 / 50.7 = 8.441kOhm;
   VL = 5*8.441k / (8.441k + 6.2k) = 42.205 / 14.641 = 2.88V;

下面验证一下：

可以说是与计算的结果相同，当V1电压高于VH时，VL=2.88V；
同样的，可以推算出V1电压低于VL时，VH=3.26V；
这里根据Vcc、R1、R2、R4的值去推导VL和VH的值，那么反过来也是一样的：

1. 可以根据VL和其他参数的值去推导某一电阻的阻值；
2. 可以根据已知Vcc、R4、VH、VL的值 ，由2.3第1、2个公式联立去推导R1和R2的准确参数。

2.4 各个参数之间的关系

由2.3中公式：

1. (Vcc●(R2||R4)）/ ((R2||R4)+R1) = VL;
2. (Vcc●R4) / (R4+(R1||R2)) = VH;
   可知：
3. 在其他参数不变的情况下，Vcc与VH、VL成正比例关系；
4. 在其他参数不变的情况下，R4与VH、VL成正比例关系，但因其在公式中的位置不同，使得其对VH的变化率高于对VL的变化率（R4在VH的推导公式中是独立存在的，在VL的推导公式中是与R2并联存在的，故其变化受到R2的制约）；
5. 在其他参数不变的情况下，R1与VH、VL成反比例关系，但其对VL的变化率高于对VH的变化率；
6. 在其他参数不变的情况下，R2与VH成反比例关系，与VL成正比例关系；（分母分子位置不同）

故：经过适当的匹配计算，可以计算出一组合适的滞回比较器阈值参数。

3.结论

1. 比较器反向输入端 电压< 同向输入端电压，输出端为高电平，那么只有在比较器反向输入端的电压 > （输出端为高电平时的）同向输入端电压时，比较器才会输出低电平；
2. 比较器反向输入端 电压> 同向输入端电压，输出端为低电平，那么只有在比较器反向输入端的电压 < （输出端为低电平时的）同向输入端电压时，比较器才会输出高电平；
3. 比较器在同向输入端的两个电压阈值之间时，输出电平不会发生变化，这可以滤除中间噪声的干扰；
4. 经过适当的匹配计算，可以计算出一组合适的滞回比较器阈值参数。