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技術(shù)專題
單片機開發(fā)運算放大器電壓比較器電路
我們將討論使用運算放大器將一個信號的幅度與另一個信號的幅度或參考電壓進行比較的電路。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。
運算放大器是具有差分輸入級的高增益放大器。但是，大多數(shù)運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，該電路可放大各個接地參考信號。
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運算放大器應(yīng)用。電壓比較器的目的是產(chǎn)生一個輸出信號，該信號對應(yīng)于運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，則可以說當非反相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時，比較器產(chǎn)生邏輯高電平，而當非反相輸入端的電壓高于反相輸入端時，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也會導(dǎo)致運算放大器的輸出在正電源電壓或附近達到飽和，甚至很小的負V DIFF也會使輸出飽和在負電源電壓或附近。如果負電源連接到接地，比較器產(chǎn)生邏輯低（≈0V）和邏輯高之間變化的數(shù)字信號（≈V CC，這可能是3.3伏或5伏）。
盡管可以將運算放大器用作比較器，但重要的是要了解典型的運算放大器并未針對此類功能進行優(yōu)化-開環(huán)，軌到軌飽和與基于負反饋的信號放大有很大不同。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
常見的比較器應(yīng)用程序正在產(chǎn)生輸出信號，該信號指示輸入信號是高于還是低于指定的閾值電壓。例如，當電源電壓降至3 V以下時，您可能想手動停用電路板上的組件之一。
這些類型的比較器任務(wù)是通過生成參考電壓并將該電壓用作比較器的輸入之一來完成的。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環(huán)比較器拓撲有一個嚴重的局限性：當V DIFF接近0 V時，噪聲將導(dǎo)致運算放大器產(chǎn)生虛假的輸出轉(zhuǎn)換。
當比較器只有一個閾值時，噪聲（由綠色跡線中的低幅度波動表示）會導(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超過閾值電壓時，微控制器都需要執(zhí)行一段代碼。我們將使用一個比較器來生成一個信號，該信號啟動該代碼塊的執(zhí)行。
但是，當傳感器信號接近閾值時，小幅度的高頻變化會導(dǎo)致信號快速移動到閾值之上和之下。這導(dǎo)致VDIFF在負值和正值之間變化，進而導(dǎo)致多個輸出轉(zhuǎn)換。這些過渡是不理想的，因為它們表示噪聲行為，而不是“真實”輸入信號的行為。
通過將滯后現(xiàn)象納入比較器電路，可以解決雜散輸出過渡問題。術(shù)語“磁滯”是指對負到正轉(zhuǎn)換和正到負轉(zhuǎn)換使用不同閾值的技術(shù)。這將產(chǎn)生一個滯后帶，其在V DIFF =
0 V之上和之下延伸。
如下圖所示，我們可以通過合并正反饋來創(chuàng)建不同的負到正閾值和正到負閾值。
該圖說明了一種將滯后現(xiàn)象引入比較器電路的方法。