电路学习——经典运放电路之滞回比较器（施密特触发器）（2024.07.18）

参考链接1: 电子设计教程29：滞回比较器（施密特触发器）
参考链接2: 滞回比较器电路详细分析
参考链接3: 比较器精髓：施密特触发器，正反馈的妙用
参考链接4: 比较器反馈电阻选多大？理解滞后效应，轻松设计正反馈
参考链接5: 比较器基础知识及应用
参考链接6: 四种迟滞比较器
参考链接7: 滞回比较器介绍及高低阈值计算
参考链接8: 【讲堂】“片”(窗口)比较器电路原理图解
参考链接9: 【分享】运放比较器电路特性
参考链接10: 窗口电压比较器电路

  在此感谢各位前辈大佬的总结，写这个只是为了记录学习大佬资料的过程，内容基本都是搬运的大佬博客，觉着有用自己搞过来自己记一下，如果有大佬觉着我搬过来不好，联系我删。

1、什么是滞回比较器（施密特触发器）？

  首先，比较器长这样（见下图），滞回“比较器”，归根到底还是比较器，这里的滞回是指电路没有那么敏感，有一点的抗干扰能力（比如你信号有杂波，它可以“滤波”），滞回不是一个阈值点，而是创建不同的上升和下降阈值，这使得输出始终保持在低或高的状态。

  滞回比较器长这样（见下图），可以看出与普通比较器区别是：多了个同相输入端与运放输出端通过电阻相连，也就是多了正反馈回路。

2、反向迟滞比较器/滞回比较器（施密特触发器）原理应用

  反相滞回比较器：同相端输入基准电压，反向端输入检测信号，当输入电压高于Uth时，比较器输出低电平，当输入电压低于Utl时比较器输出高电平，在两者之间保持。
  在实际应用中，该电路通常用于保护某个值在一定范围内，这个范围可以人为设定，因此需要设置参考电压，如下图通过$VCC=5V$、$R_1=10k\Omega$、$R_2=10k\Omega$分压设定触发电压$V_A$，那么$V_A=\frac{R_2}{R_1+R_2}\ast VCC=\frac{10k\Omega }{10k\Omega +10k\Omega }\ast 5V=2.5V$，反相输入端输入电压为$V_{in}$，输出端电压为$V_o$。

  当$V_{in}<V_A$，即$V_{in}<2.5V$时，由于比较器特性，输出$V_o$为低电平，即$0V$，那么分析相当于$VCC$、$R_1$、$R_2//R_4$，等效电路图如下图仿真所示，设定$VCC=5V$、$VDD=5V$、$R_1=10k\Omega$、$R_2=10k\Omega$、$R_3=10k\Omega$、$R_4=100k\Omega$，那么电阻分压后：$V_A=\frac{R_2}{R_1+R_2//R_4}\ast VCC=\frac{10k\Omega }{10k\Omega +10k\Omega //100k\Omega }\ast 5V=\frac{10k\Omega }{10k\Omega +9.09091k\Omega }\ast 5V=2.381V$。

  当$V_{in}>V_A$，即$V_{in}>2.5V$时，设定$VCC=5V$、$VDD=5V$、$R_1=10k\Omega$、$R_2=10k\Omega$、$R_3=10k\Omega$、$R_4=100k\Omega$，由于比较器特性，输出$V_o$被$VDD$拉高为高电平，即$5V$，那么电路分析那么电阻分压后（相当于$VCC$、$R_1//(R_3+R_4)$、$R_2$）：$V_A=2.609V$。

  可以看出，以上两个计算算出了两个$V_A$分别为$2.381V$、$2.609V$，因此下图中的$U_l=2.381V$、$U_h=2.609V$。如果输入的$V_{in}<U_l$，即$V_{in}<2.381V$，输出就是低电平，$V_{in}>U_h$，即$V_{in}>2.609V$，输出就是高电平。可以看出，中间相当于有一个缓冲区。

  通过构建仿真电路，我们仿真一下上面计算的值对不对，橙色波形是输入的信号（这里采用的是三角波，方便查看电压值变化），红色波形是比较器输出的信号。

  通过示波器，我们可以看到两个电压值分别为$2.414V$、$2.714V$，与计算的值有一定的误差，目前还不确定该误差正常不正常，按理说仿真是理想的，应该与计算值无误的，这个以后看有机会确定一下这个误差来源吧。

3、同向迟滞比较器/滞回比较器（施密特触发器）原理应用

  同相滞回比较器：同相端输入检测信号，反向端输入基准电压，当输入电压高于Uth时，比较器输出高电平，当输入电压低于Utl时比较器输出低电平，在两者之间保持。
  类比于反向迟滞比较器，同向迟滞比较器的信号输入是在同相输入端，参考电压设置在反向输入端，同样是正反馈回路。这里就不贴图了。

4、疑惑点以及解答（比较器与运放的联系和区别）

4.1、比较器为啥加上拉电阻？

  解惑：很多人会疑惑输出端为什么要加一个上拉电阻？
  答：相较于运放采用推挽输出的方式，比较器采用开集输出，需要加上拉电阻。

4.2、比较器与运放用的场景

  运放一般工作在闭环负反馈状态（线性区），主要作用是对输入端信号进行放大；比较器工作在开环状态（非线性区），主要是对输入端的信号进行比较判别，翻转速度比较快。

  在对速度要求不高的时候，运放可以工作于开环当做比较器使用，但输出会受到电源轨的限制因此需要注意电平匹配问题。反过来电压比较器在大部分情况下不能作为运放使用，主要是由于比较器没有做相位补偿闭环容易不稳定。

4.3、输出信号的形式与响应速度

  相较于运放输出的是模拟信号，比较器输出的是高低电平对应数字的0和1，集电极开路使其可兼容TTL或CMOS。
  相较于运放，比较器的响应速度比较快，这也是由于其内部没有做相位补偿的缘故。

5、滞回比较器拓展之窗口比较器

  将两个滞回比较器搭配使用，可以做出一个窗口比较器，下限运放的正端接的被测信号，负端则是基准。而上限运放正端接基准，负端接被测信号。本电路有两个基准比较端，整定值分别为+5V和-5V。由电路结构可知，只要+5V>IN>-5V，换言之，只在输入信号在+5V～-5C“该片范围”之内，电路就会维持原态（或称静态）的高电平输出状态。反之，IN信号要么高于+5V，要么低于－5V，只要出离了“该片范围”，N1（或N2）的输出端即会翻转，变成低电平状态。

  这里假设输入为（$-5V，+5V$），上面部分同相输入端电压大于反向输入端电压，那么输出被R5拉高；下面部分同相输入端电压大于反向输入端电压，那么也是输入端被R5拉高，所以上下两个输出都是高电平。具体这里不在分析，可以参考上面的分析计算；
  这里假设输入为（$-\infty$，$-5V$）、（$5V$，+∞），上面部分同相输入端电压小于反向输入端电压，那么输出为低电平（这里是双电源供电，应该是输出-15V）；下面部分同相输入端电压大于反向输入端电压，因为比较器是开路集电极输出（这个意思就是集电极什么都没有接，所以在这里，下面的比较器输出端被上面运放输出端拉低至0V），所以输出是低电平。
  可以看到这里没有正反馈电阻，当然你也可以添加正反馈电阻，这个正反馈电阻一般取100KΩ。