电压比较器滞回电路的学习资料

一：问题

输入电压到6.4V的时候，比较器会翻转。输出高电平。
电压下降到一定值，比较器输出低电平。
请问这个滞回电压怎么计算呢？
麻烦老师们给一个计算公式。

忽略运放的饱和压降，6.4V正翻转前，运放输出端等于接地，状态见图1，要反翻转，利用方程③，即可求出应该的R3数值。



当反翻转前，运放输出端等于等于Q1的发射结饱和压降（设为0.7V），状态见图2，要反翻转，利用方程②，则反翻转输入信号电压Ui的值可计算出，这个值与6.4V有回差。但是不一定是1V。


如果要求回差等于1V，则计算较为复杂，不仅仅涉及到R3，还要涉及到R4或者R5的值，公式如下 ：

  新设反翻转电压   Ui=5.4……①
再设定R4或者R5中任意一个的数值，将方程①代入原来的方程②中，得到

（5.4-2)/R4=2/R5+（2-0.7）/R3……②

Vi=2=6.4×（R5//R3）/（R4+R5//R3）……③

以上两式组成二元方程组，这个方程组中，仅有两个未知数R3、R4（或R5）。解出这个方程组，就能得到当回差等于1V时，对应的R3、R4（或R5）应该的数值。

楼主的电路有问题，当正翻转后，运放输出正电压，理论上会接近Vcc，但受Q1发射结的钳位，会有很大的电流由运放输出经Q1的发射结到地，运放将损坏。所以一般的电路，会在运放的输出端到Q1基极之间，串联一个限流电阻。这样的话，计算反翻转临界状态时，运放的输出端的电压应为Vcc，i2的电流方向将相反，电流方程将变化。但是解题的思路不变。

补充内容 (2016-12-28 20:37):
采用Q1的基极前面串联一个限流电阻的方案，以上公式经修改后，用Excel软件计算，设定R4还是22K，计算出当R3采用264K电阻，R5采用10.4k电阻时，滞回电压约等于1V。

补充内容 (2016-12-29 09:43):
楼主的电路中，Q1的外围电路并未画出，当Q1当作射极跟随器或者发射极串联有电流反馈电阻时，运放输出高电位时也不会有问题。计算反翻转临界状态时，将运放输出端的电位视为Vcc，电流i3方向改为向左进行计算。

补充内容 (2016-12-29 09:57):
补充内容中的描述有误，“电流i3方向改为向左进行计算” 应为 “电流i2方向改为向左进行计算”，电流方程改为i1=i3-i2

初学者感觉滞回电压比较器比较奇妙，是因为它有两个转折的门限电压，为了容易理解，不妨从一个更通俗的例子说起。比如我们常用饮水机中的温控开关．就是比较简单也是比较典型的具有滞回特性的器件。假如我们设定开关工作的温度是T1，如果开关没有滞回的特点，当达到这个温度时，电热器断开，温度下降，当低于这个温度时，电加热器接通。这样就会出现一种情况，电热器在这个温度附近会频繁接通和断开，温度达到T1一加热器件断开一温度下降一导致电热器接通一温度上升-加热器件又断开，如此反复，在临界区附近产生振荡。这是我们不希望的结果，所以，温控开关一般是具有滞回的特点，动作（断开）温度TH和复位（接通）温度TL有一定的温度差一回复误差。比如：设定开关断开的温度是大于95℃，复位接通的温度是小于90℃，回复误差根据需要可以调整，这样就解决了温控开关频繁接通和断开的问题。接通到断开，断开到接通沿着不同的路径，不走回头路，故此称为滞回控制开关。
　　
　　滞回电压比较器和上述的温控开关是一样的道理，可以类比理解。大家知道运算放大器在开环状态下可以用作比较器，其理想和实际的电压传输特性如附图所示，实际特性是只有当它的差模输入电压足够大时，输出电压Uo才为正负最大值。Uo在从+Uce变为-Uss或从-Uss变为+Uce的过程中，随着Ui的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。可以知道，在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的微小变化，都将引起两个不同的输出状态之间产生不期望的频繁穿越跳变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。用带有内部滞回电路的比较器代替开环运算放大器能够抑制输出的频繁跳变和振荡。
　　
　　滞回电压比较器电路有两个阀值电压，类似本文开始提到的温控开关，有两个门限值UH、UL。输入电压Ui从小变大过程中使输出电压Uo产生跃变的阔值电压UH,不等于Ui从大变小过程中使输出电压Uo产生跃变的阀值电压UL．电路具有滞回特性。举个例子，如附图所示为从反向输入端输入的滞回比较器电路．由分压电阻Rl:R2构成正反馈。假设Rl=lOkn，R2=lOOn，电源供电电压为：UCC=13V，Uss=-13V,反馈系数F=R2/(R1+R2)。比较器的反相输入电压从0开始线性变化，当Ui=0时，加到同相的输入瑞电压为Uref=RI/(R1+R2)Eref，Uo=Uce，同相端总电压UH=1V，同相端电压大于反相端电压，这是一个稳定的状态。
　　
　　输入电压由零向正方向增长，只要它还小于UH，即Ui<1V，输出电压Uo都保持最大正的电征Ucc不变，即Uo=13V。当Ui一旦超过UH一点点，平衡即被破坏，由于反向输入电压大于正向输入电压，输出电压Uo就会从最大正向电压Ucc(+13V)向负向最大电压Uss(-13V)转换。而且由于R1、R2引入的正向反馈作用将加速这种转换，形成跳变，获得理想的传输电压特性，Uo从+13V跳变到-13V。
　　
　　跳变完成后，加到同相端的总电压为：UL=0.86V，显然只要输入电压保持大干UL即U>0.86V，输出电压将保持负的最大值Uss(-13V)不变。但是当输入电压U从大到小下降到小于UL(0.86V)时，一个相反的连锁反馈又将使输出电压Uo从负的最大值Vss(-13V)跳变到正的最大值Ucc(+13V)。通过改变Eref的大小可方便改变滞回区间。
　　
　　斯密特滞回触发器只有-个触发端子，比较方便灵活，在实际中具有广泛的应用，如一开始提到的温控开关就可以用滞回触发器实现。再比如开关电源中的欠压保护就是滞回比较器的典型应用，当市电电压低于一定值时．通过滞回比较器使开关电源停止工作，保护电网和机器的安全。
　　
　　我们以常用的UC3842为例简单说明其原理，UC3842⑦脚为电压输入端，内接施密特滞回触发器，利用其回滞特性实现锁存，其启动电压范围为16V-34V。
　　
　　在电源启动，Vcc＜16V时，输入电压施密器比较器输出为0，此时无基准电压产生，电路不工作；当Vcc>16V时输入电压施密特比较器送出高电平到5v稳压器，产生5v基准电压，此电压一方面供内部电路工作，另一方面通过⑧脚向外部提供参考电压。一旦施密特比较器翻转为高电平（芯片开始工作以后），Vcc可以在10V-34V范围内变化而不影响电路的工作状态。当Vcc低于10V时．施密特比较器又翻转为低电平，电路停止工作。当出现机器启动困难的故障时，就要考虑该脚外围元件是否正常，该部分电路比较简单，维修应该不复杂，关键是判断故障，要抓住其故障特点。由于保护电路的滞回特点，-般是启动困难，一旦启动成功，能长时间稳定工作。