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技術(shù)專(zhuān)題
單片機開(kāi)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(gè)信號的幅度與另一個(gè)信號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，大多數運算放大器電路不具有高增益，并且不執行差分放大。相反，我們使用負反饋將高增益差分放大器轉換為高性能且用戶(hù)友好的電路，該電路可放大各個(gè)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(jiàn)運算放大器應用。電壓比較器的目的是產(chǎn)生一個(gè)輸出信號，該信號對應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字信號，則可以說(shuō)當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。
比較器的工作是運算放大器極高增益的自然結果。如下圖所示，將全增益（A OL）應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(huì )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(lèi)功能進(jìn)行優(yōu)化-開(kāi)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(zhuān)門(mén)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(shí)，您可能想手動(dòng)停用電路板上的組件之一。
這些類(lèi)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)比較器拓撲有一個(gè)嚴重的局限性：當V DIFF接近0 V時(shí)，噪聲將導致運算放大器產(chǎn)生虛假的輸出轉換。
當比較器只有一個(gè)閾值時(shí)，噪聲（由綠色跡線(xiàn)中的低幅度波動(dòng)表示）會(huì )導致雜散的輸出轉換（如紅色跡線(xiàn)所示）。
例如，假設每次周期性的傳感器信號超過(guò)閾值電壓時(shí)，微控制器都需要執行一段代碼。我們將使用一個(gè)比較器來(lái)生成一個(gè)信號，該信號啟動(dòng)該代碼塊的執行。
但是，當傳感器信號接近閾值時(shí)，小幅度的高頻變化會(huì )導致信號快速移動(dòng)到閾值之上和之下。這導致VDIFF在負值和正值之間變化，進(jìn)而導致多個(gè)輸出轉換。這些過(guò)渡是不理想的，因為它們表示噪聲行為，而不是“真實(shí)”輸入信號的行為。
通過(guò)將滯后現象納入比較器電路，可以解決雜散輸出過(guò)渡問(wèn)題。術(shù)語(yǔ)“磁滯”是指對負到正轉換和正到負轉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 )建不同的負到正閾值和正到負閾值。
該圖說(shuō)明了一種將滯后現象引入比較器電路的方法。