比較器電路應(yīng)該很多人用過(guò)，網(wǎng)上一查也很多資料，比較器電路用得最多的應(yīng)該還是遲滯電壓比較器電路，那今天來(lái)聊聊我對(duì)遲滯電壓比較器電路的理解吧，主要分為以下幾個(gè)方面：
1、遲滯電壓比較器電路的工作原理
2、專(zhuān)用遲滯電壓比較器和運(yùn)放搭建的遲滯電壓比較器的差別
3、遲滯電壓比較器的計(jì)算公式推導(dǎo)
1、遲滯電壓比較器的工作原理
如下圖，是常見(jiàn)同相遲滯電壓比較器電電路，右邊是其電壓傳輸特性。
電壓傳輸特性說(shuō)明：
1、輸入上升階段：需要Vin>VH，輸出電壓才能翻轉(zhuǎn)（輸出從0翻轉(zhuǎn)到高電壓）
2、輸入下降階段：需要Vin
從特性曲線我們可以看到，輸出電壓翻轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向的閾值并不相同，這個(gè)區(qū)間的存在，可以抑制輸入噪聲干擾/輸入信號(hào)抖動(dòng)帶來(lái)的影響，避免因?yàn)檩斎攵诵盘?hào)抖動(dòng)較大，導(dǎo)致輸出端信號(hào)也反復(fù)來(lái)回的切換。
那這個(gè)電路是怎么做到這一點(diǎn)的呢？
我們先來(lái)定性分析下，可以看到，電路的輸出端是通過(guò)R2電阻接到的芯片的正相輸入端，也就是說(shuō)反饋是接到正相端的，是正反饋電路。
為什么提正反饋呢？
這是因?yàn)椋覀冇袝r(shí)候?yàn)榱说统杀驹O(shè)計(jì)，使用放大器搭建遲滯電壓比較器電路，而沒(méi)有用專(zhuān)用的比較器放大器。而使用運(yùn)放的時(shí)候，我們會(huì)經(jīng)常使用“虛短”和“虛斷”來(lái)分析電路。這個(gè)時(shí)候需要注意，正反饋就沒(méi)有“虛短”的概念了，因?yàn)?ldquo;虛短”的成立，是建立在電路工作在負(fù)反饋的情況下，整個(gè)電路工作在線性區(qū)。
那這個(gè)電路怎么分析呢？
我們可以這樣理解，運(yùn)放和比較器的開(kāi)環(huán)增益都非常大，那么當(dāng)運(yùn)放/比較器的兩個(gè)輸入端只要滿(mǎn)足 V+ > V-，那么Vout 就輸出高。反之，如果V+ < V-，那么Vout輸出低，我們記住這個(gè)前提。
a、我們假設(shè)剛開(kāi)始Vin=0，那么Vout也為0，這個(gè)時(shí)候我們讓輸入Vin的值不斷增大，可以知道，當(dāng)Vin增大到一定值VH，V+ = V-，如果Vin再繼續(xù)增大一點(diǎn)點(diǎn)，就會(huì)滿(mǎn)足V+ > V-，這個(gè)時(shí)候Vout就會(huì)輸出高。也即是說(shuō)輸出Vout從0到高電平翻轉(zhuǎn)時(shí)，其輸入Vin電壓需要達(dá)到閾值VH（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是大于VH一丟丟）。
b、Vout電壓從0變成高之后，因?yàn)?/span>Vout通過(guò)電阻R2接到了運(yùn)放/比較器的V+，也就是正反饋，這會(huì)讓V+進(jìn)一步增大，V+ 大于V-更多，所以輸出維持高電平。因此，這個(gè)時(shí)候要想讓Vout重新輸出0，那就需要Vin比原來(lái)的VH更低，對(duì)應(yīng)于上圖的VL。即輸出Vout 從高電平到0翻轉(zhuǎn)時(shí)，其輸入Vin電壓需要達(dá)到閾值VL（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是小于VL一丟丟）。
以上就是同相遲滯電壓比較器的工作原理介紹，反相遲滯電壓比較器原理類(lèi)似，就不再寫(xiě)一遍了，下面來(lái)看具體的電路設(shè)計(jì)與計(jì)算。
先來(lái)看同相遲滯電壓比較器的電路設(shè)計(jì)以及各個(gè)電阻的取值吧。
2、同相遲滯電壓比較器的設(shè)計(jì)及計(jì)算
電路圖上面其實(shí)已經(jīng)給出來(lái)了，我再放一下吧，如下圖所示。
這里需要關(guān)注下電阻R3，需要根據(jù)選用的比較器/運(yùn)放芯片的型號(hào)來(lái)決定是否要加上。因?yàn)橛行┍容^器的輸出是開(kāi)漏輸出的，如果沒(méi)有上拉電阻，輸出是無(wú)法輸出高的。
以Ti的比較器LM393為例，其就是開(kāi)漏輸出的，所以輸出必須要要接上拉電阻Rpullup
以Ti的比較器TLV3201為例，其輸出本身就是推挽輸出，因此外部就不需要上拉電阻，如下圖所示：
同樣的，如果我們用集成運(yùn)放來(lái)替代比較器芯片，也是可以不要上拉電阻的。這一點(diǎn)很容易想明白，正常運(yùn)放即使沒(méi)有上拉電阻，也是可以輸出對(duì)應(yīng)的高電壓的，其相當(dāng)于是推挽輸出，比如下方的TI的運(yùn)放芯片LM358。
為什么我這里專(zhuān)門(mén)提示這個(gè)電阻R3呢？這是因?yàn)檫@里只要稍一不注意，要接的時(shí)候沒(méi)接，就容易出現(xiàn)功能異常，只能改板了。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，需要接上拉電阻的時(shí)候，電路設(shè)計(jì)計(jì)算起來(lái)就更復(fù)雜，那么我們就直接來(lái)算開(kāi)漏輸出比較器的電路吧。
設(shè)計(jì)一個(gè)電路，我們總歸有一些已知條件。
一般來(lái)說(shuō)，我們用到遲滯電壓比較器的時(shí)候，總歸知道自己的運(yùn)放電路的供電電源電壓，輸出端上拉電阻接的電源電壓，還有自己希望的兩個(gè)觸發(fā)閾值電壓VH和VL，針對(duì)這些條件，我們先設(shè)置下初始上拉電阻R3，分壓電阻R5，還有初步設(shè)置一個(gè)反饋電阻R2。據(jù)此，我們可以求得電阻R1和R4，這樣，我們的電路各個(gè)器件就都明確了。
上面的題目簡(jiǎn)化下就是下圖：
下面就來(lái)詳細(xì)介紹下如何求解R1和R4。
a、由工作原理圖可知，當(dāng)Vout初始電壓為0時(shí)，如果Vin電壓等于VH，此時(shí)比較器的同相輸入端V+=VTH，因此有了下面的公式：
b、同樣由工作原理可知，當(dāng)Vout初始電壓為高時(shí)，如果輸入電壓為VL，那么此時(shí)比較器的同相輸入端V+=VTH，因此我們又有下面的公式：
c、上面2步，我們有2個(gè)公式，2個(gè)變量，因此最終可以求得R1如下所示：
上面引入了系數(shù)a，b，c，這是因?yàn)槿绻灰?，最?/span>R1的等式非常的復(fù)雜，因此只是為了簡(jiǎn)化。
d、比較器的輸入阻抗都非常大，可以看作是斷路，所以比較器的負(fù)相端V-的電壓就是固定的，不論Vout電壓是多少，Vth就是Vref在電阻R5上的分壓，因此我們有了公式：Vth=Vref*R5/（R4+R5）；再結(jié)合步驟c中的公式，我們就可以求得R4了，過(guò)程如下：
同相比較器電路，知道了具體的電路，如何計(jì)算上下門(mén)限VL和VH？
以上是我們知道VL和VH情況下，計(jì)算各個(gè)電阻值應(yīng)該取多少。但有時(shí)我們已經(jīng)知道了電路圖，需要計(jì)算VL和VH，比如這個(gè)場(chǎng)景：我們剛剛到新公司時(shí)，有了現(xiàn)成的電路圖，需要理解并檢查電路，這個(gè)時(shí)候我們就需要知道VL和VH是多少了。簡(jiǎn)化下題目如下：
具體求解過(guò)程如下圖：
小結(jié)下，以上兩種已知條件下，求解公式匯總?cè)缦聢D：
至此，同相比較器我們已經(jīng)分析完了，下面來(lái)看下反相遲滯電壓比較器的設(shè)計(jì)及計(jì)算
3、反相遲滯電壓比較器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
反相遲滯電壓比較器典型電路如下圖：
同樣的，當(dāng)我們想設(shè)定兩個(gè)門(mén)限電壓VL和VH，那么電阻該如何取值呢？
求解過(guò)程如下圖：
同樣有另外一個(gè)問(wèn)題，反相比較器電路，知道了具體的電路，如何計(jì)算上下門(mén)限VL和VH？
求解過(guò)程如下：
至此，我們將同相和反相遲滯電壓比較器電路的計(jì)算公式都推導(dǎo)出來(lái)了。公式看著有點(diǎn)復(fù)雜，不過(guò)也不用擔(dān)心麻煩，我已經(jīng)將相關(guān)計(jì)算公式放到了我的app“硬件工程師煉成之路開(kāi)發(fā)助手里面”。
除此之外，App助手上面也更新了前一段時(shí)間推導(dǎo)的MOS管功耗計(jì)算的公式，效果如下圖：
助手下載方法：
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參考文檔：
1、具有遲滯功能的同相比較器電路
https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca861
2、具有遲滯功能的反相比較器電路
https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca870
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