問題
下面是一個輸入信號接在反相輸入引腳,參考電壓為 1 伏的運放比較器電路:
下面是上面電路的波形圖:
可以看到,當輸入信號大于 1 伏時,輸出為低電平;當輸入信號小于 1 伏時,輸出為高電平。
我們給信號加點干擾,看看會怎么樣:
可以看到,隨著輸入信號噪音的逐漸增加,輸出信號最終出現了雜波:
我們如何解決上面的問題,以實現即使輸入信號有一定的干擾,也不會導致輸出出現跳變?
施密特觸發器電路
我們可以使用一種叫做施密特觸發器(Schmitt Trigger)的運放電路來解決上面的問題:
下面是輸入與輸出的關系動畫:
上圖中,移動的黑點表示輸入信號,移動的綠點表示輸出信號,紅點表示 LTP, 藍點表示 UTP, 注意觸發點在 Vin 超過了 UTP 后發生了跳變。
施密特觸發器電路中用電阻 R2 將輸出和運放同相輸入引腳連接了起來,這會將輸出信號反饋到運放的輸入引腳。在這里輸出被反饋到同相引腳,屬于正反饋,如果將輸出反饋到反相引腳,則是負反饋。運放施密特觸發器電路屬于一種正反饋電路。
由于輸出電壓 Vout 將會在正飽和電壓 +Sat(接近正電源電壓Vcc)和 負飽和電壓(接近負電源點Vee)之間來回切換,并且 Vout 通過由 R1 和 R2 構成的電阻分壓器反饋到參考電壓。 所以參考電壓將會在兩個不同的值之間來回切換,所以最終會有兩個觸發點,而不是只有一個觸發點。當只有一個觸發點時,如果輸入信號上有噪音,會導致輸入信號在觸發點附近來回跳變,這會引起輸出信號來回跳變。
假設開始時 Vin 為零伏,然后它逐漸增加接近上觸發點。一旦 Vin 超過這個上觸發點,Vout 將會立即從高電平變為低電平,這也同時改變了參考電壓,使參考電壓變為負值,即下觸發點(LTP)。此時如果輸入信號在上限觸發電壓(UTP)附近來回跳變,只要這個跳變不超過下觸發點(LTP), 那么輸出信號 Vout 不會改變,一直是低電平:
參考電壓變為下限觸發電壓(LTP)后,要想讓輸出電壓 Vout 重新變為高電平,輸入信號 Vin 得一路下降到低于 LTP 才行:
上圖中,移動的黑點表示輸入信號,移動的紅點或藍點表示輸出信號。
一旦 Vin 下降到 LTP 以下,那么輸出電壓會變成高電平,同時,參考電壓也會變成上限觸發電壓 UTP。
總結:
當觸發電壓為 UTP 時,在輸入信號逐漸變大的過程中,一旦其值超過 UTP, 則觸發電壓會變為 LTP,此時輸入信號如果在 UTP 附近跳動,只要不低于 LTP, 不會引起輸出變動;
當觸發電壓為 LTP 時,在輸入信號逐漸變小的過程中,一旦其值低于 LTP, 則觸發電壓會變為 UTP, 此時輸入信號如果在 LTP 附近跳動,只要不超過 UTP, 不會引起輸出變動。
舉個例子
上圖電路中,運放電源為正負 12 伏。由一個 1kΩ 電阻和 11kΩ 電阻組成分壓電路。上限觸發電壓為 1 伏,下限觸發電壓為 -1 伏。
坐標系中藍線表示輸入信號。其值從低于 -1 伏開始逐漸增加,此時輸出為高電平,觸發電平為 UTP(1伏)。當輸入信號逐漸增加并且超過 LTP 時,輸出無變化。再增加,一旦其值超過 UTP 時,輸出電平會迅速從高電平變為低電平,同時,參考電壓由較大的 UTP 變為較小的 LTP, 此后,即使輸入信號有很強的噪音,導致其值在 UTP 附近上下抖動,但由于此時參考電壓已經變為了較小的 LTP, 輸出電平不會變動。
非對稱閾值
上面的電路中,兩個觸發電平是在 0 伏附近的。如果想讓兩個觸發電平不在零伏附近,需要用3個電阻, 電路圖如下:
當輸出為高電平時,R1和R3并聯,其等效電路圖如下:
當輸出為低電平時,R2和R3并聯,其等效電路圖如下:
觸發電平計算公式如下:
網上有一個****反相施密特觸發器計算器 ,可以根據輸入的上下限觸發電壓計算電路中需要的電阻值
這里,假設我們想讓上限電壓為 1.1 伏,下限觸發電壓為 0.9 伏,參考電壓就用正電源電壓 9 伏,輸入后計算結果如下:
它計算出的電阻為:
R1 = 16kΩ
R2 = 2kΩ
R3 = 160kΩ
調試后,我使用下面的參數:
R1=20k
R2=2.7k
R3=180k
在電路板上組裝后,測得波形如下:
可以看到 UTP = 1.07伏,LTP = 0.69 V。帶有如此大噪音的輸入信號并沒有引起輸出意外跳變,問題得到解決。
總結
今天我們一起了學習了****正反饋運放電路,即 反相施密特觸發器電路。知道了該電路可以產生兩個觸發電壓,進而解決輸入信號的噪音引起的輸出意外跳變的問題。
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