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技術(shù)專題
單片機(jī)開(kāi)發(fā)運(yùn)算放大器電壓比較器電路
我們將討論使用運(yùn)算放大器將一個(gè)信號(hào)的幅度與另一個(gè)信號(hào)的幅度或參考電壓進(jìn)行比較的電路。這些模擬比較器電路可以產(chǎn)生與數(shù)字組件兼容的輸出信號(hào)。
運(yùn)算放大器是具有差分輸入級(jí)的高增益放大器。但是，大多數(shù)運(yùn)算放大器電路不具有高增益，并且不執(zhí)行差分放大。相反，我們使用負(fù)反饋將高增益差分放大器轉(zhuǎn)換為高性能且用戶友好的電路，該電路可放大各個(gè)接地參考信號(hào)。
基本比較器
電壓比較器是在原始高增益差分輸入配置中使用該器件的唯一常見(jiàn)運(yùn)算放大器應(yīng)用。電壓比較器的目的是產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于運(yùn)算放大器輸入端電壓之間的大于或小于關(guān)系。
如果將比較器的輸出視為數(shù)字信號(hào)，則可以說(shuō)當(dāng)非反相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時(shí)，比較器產(chǎn)生邏輯高電平，而當(dāng)非反相輸入端的電壓高于反相輸入端時(shí)，邏輯低電平。 -反相輸入電壓低于反相輸入電壓。
比較器的工作是運(yùn)算放大器極高增益的自然結(jié)果。如下圖所示，將全增益（A OL）應(yīng)用于同相輸入端電壓和反相輸入端電壓之間的差。
因此，即使很小的正V DIFF也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器的輸出在正電源電壓或附近達(dá)到飽和，甚至很小的負(fù)V DIFF也會(huì)使輸出飽和在負(fù)電源電壓或附近。如果負(fù)電源連接到接地，比較器產(chǎn)生邏輯低（≈0V）和邏輯高之間變化的數(shù)字信號(hào)（≈V CC，這可能是3.3伏或5伏）。
盡管可以將運(yùn)算放大器用作比較器，但重要的是要了解典型的運(yùn)算放大器并未針對(duì)此類功能進(jìn)行優(yōu)化-開(kāi)環(huán)，軌到軌飽和與基于負(fù)反饋的信號(hào)放大有很大不同。如果要提高比較器電路的性能，可以使用專門作為比較器出售的放大器IC。
具有參考電壓的比較器
常見(jiàn)的比較器應(yīng)用程序正在產(chǎn)生輸出信號(hào)，該信號(hào)指示輸入信號(hào)是高于還是低于指定的閾值電壓。例如，當(dāng)電源電壓降至3 V以下時(shí)，您可能想手動(dòng)停用電路板上的組件之一。
這些類型的比較器任務(wù)是通過(guò)生成參考電壓并將該電壓用作比較器的輸入之一來(lái)完成的。如果您需要非常精確的閾值，則可以使用參考電壓IC，但是在許多情況下，電阻分壓器就足夠了
在此示例中，電阻器用于創(chuàng)建等于V CC / 2的參考電壓。
磁滯比較器
到目前為止討論的開(kāi)環(huán)比較器拓?fù)溆幸粋€(gè)嚴(yán)重的局限性：當(dāng)V DIFF接近0 V時(shí)，噪聲將導(dǎo)致運(yùn)算放大器產(chǎn)生虛假的輸出轉(zhuǎn)換。
當(dāng)比較器只有一個(gè)閾值時(shí)，噪聲（由綠色跡線中的低幅度波動(dòng)表示）會(huì)導(dǎo)致雜散的輸出轉(zhuǎn)換（如紅色跡線所示）。
例如，假設(shè)每次周期性的傳感器信號(hào)超過(guò)閾值電壓時(shí)，微控制器都需要執(zhí)行一段代碼。我們將使用一個(gè)比較器來(lái)生成一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)啟動(dòng)該代碼塊的執(zhí)行。
但是，當(dāng)傳感器信號(hào)接近閾值時(shí)，小幅度的高頻變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)快速移動(dòng)到閾值之上和之下。這導(dǎo)致VDIFF在負(fù)值和正值之間變化，進(jìn)而導(dǎo)致多個(gè)輸出轉(zhuǎn)換。這些過(guò)渡是不理想的，因?yàn)樗鼈儽硎驹肼曅袨椋皇?span>“真實(shí)”輸入信號(hào)的行為。
通過(guò)將滯后現(xiàn)象納入比較器電路，可以解決雜散輸出過(guò)渡問(wèn)題。術(shù)語(yǔ)“磁滯”是指對(duì)負(fù)到正轉(zhuǎn)換和正到負(fù)轉(zhuǎn)換使用不同閾值的技術(shù)。這將產(chǎn)生一個(gè)滯后帶，其在V DIFF =
0 V之上和之下延伸。
如下圖所示，我們可以通過(guò)合并正反饋來(lái)創(chuàng)建不同的負(fù)到正閾值和正到負(fù)閾值。
該圖說(shuō)明了一種將滯后現(xiàn)象引入比較器電路的方法。