滞回比较器详解

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A ；OUT

--------------- »

V

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滞回比较器

关于比较器滞回的讨论需要从

滞回”的定义开始，与许多其它技术术语一样，滞回”源于希腊语，

含义是 延迟”或滞后”，或阻碍前一状态的变化。工程中，常用滞回描述非对称 绝大多数比较器中都设计带有滞回电路

，通常滞回电压为5mV 到10mV 。内部滞回电路可以避

免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输岀振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡

，

却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回

，以提高系统的抗干扰性能。

首先，看一下比较器的传输特性。图 1所示是内部没有滞回电路的理想比较器的传输特性 ，图2 所示

为实际比较器的传输特性。从图

2可以看出，实际电压比较器的输出是在输入电压 （VIN ）增大到2mV

时才开始改变。

图1.理想比较器的传输特性

运算放大器在开环

举个例子，考虑图4所示简单电路，其传输特性如图5所示。比较器的反相输入电压从 0开始线

性变化，

由分压电阻R1、R2构成正反馈。当输入电压从 1点开始增加(图6),在输入电压超过同相阈值

VTH+ = VCCR2/(R1 + R2) 之前，输出将一直保持为 VCC 。在阈值点，输出电压迅速从 VCC 跳变为

VSS,

因为，此时反相端输入电压大于同相端的输入电压。 输岀保持为低电平，直到输入经过新的阈值点 5， VTH- = VSSR2/(R1 + R2)

。在5点，

输出电压迅速跳变回

VCC ，因为这时同相输入电压高于反相输

入电压。

图4.具有滞回的简单电路

图5

•

图4电路的传输特性

图4所示电路中的输出电压 VOUT 与输入电压VIN 的对应关系表明，输入电压至少变化 2VTH

时，输出电压才会变化。因此，它不同于图3的响应情况（放大器无滞回）,即对任何小于2VTH 的噪声或干 扰都

不会导致输岀的迅速变化。在实际应用中

，正、负电压的阈值可以通过选择适合的反馈设置。

其它设置可以通过增加不同阈值电压的滞回电路获得。 图7电路使用了两个 MOSFET 和一个电

阻网络调节正负极性的阈值。与图

4所示比较器不同，电阻反馈网络没有加载到负载环路 ，图8给岀了输 入信号变化时的输岀响应。

OUTPUT

予 INPUT

A

C

D

图6•图4电路的/输出电压波形

图9.在带有上拉电阻的比较器中加滞回电路

R1 =R4

R2 =R3>? R1 = FM

图7.通过外部MOSFET 和电阻构成滞回电路

R3 R3 +(R1 + R2)

OUTPUT

-------- t

图8•图7电路的输入/输出电压波形

比较器内部的输出配置不同，所要求的外部滞回电路也不同。

例如，具有内部上拉电阻的比较器

可以在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻。输入分压网络作用在比较器的同相输入端

,

反相输入电压为一固定的参考电平 （如图9）。

畋

ras

R1

oui

IMA 刈Di 5 MAXSOl 7 MAX9S1 9

V 个

第4步

如上所述,具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于输入上升电压

(VTHR), —个用于检测

输入下降电压(VTHF),对应于图8的VTH1和VTH2。两个门限的差值为滞回带 (VHB)。当比较器的输入 电压相等时，滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入

，从而使比较器避开产生振荡的区域。图

10所示为

比较器反相输入端电压固定，同相输入端电压变化时的工作过程，交换两个输入可以得到相似波形，但是输 岀电压

极性相反。

图10.图9电路的输入/输出电压波形

根据输出电压的两个极限值(两个电源摆幅)，可以很容易地计算反馈分压的电阻值。

内部有4mV 滞回和输出端配有上拉电阻的比较器

--如Maxim 的MAX9015、MAX9017和

MAX9019等。这些比较器设计用于电压摆幅为 VCC 和0V 的单电源系统。可以按照以下步骤

，根据给定

的电源电压、电压滞回(VHB)和基准电压(VREF),选择并计算需要的元件：

第1步

选择R3，在触发点流经R3的电流为(VREF - V0UT)/R3。考虑到输出的两种可能状态，R3由如 下两式

求得：

R3 = VREF/IR3 和 R3 = (VCC - VREF)/IR3.

取计算结果中的较小阻值，例如，VCC = 5V, IR3 = 0.2 A,使用MAX9117比较器(VREF =

1.24V),则计算结果为 6.2M 积｛和19M“ ,选则R3为6.2M —。

第2步

选择滞回电压(VHB)。在本例中，选择滞回电压为50mV 。

R1可按下式计算。

对于这个例子，

R1

的值为：

/ \

m = m2 ----------

=62AU

1聊丿

第2步

VIN 上升门限(VTHR)的选择，例如:

在该门限点，当输入电压VIN 超过阈值时，比较器输出由低电平变到高电平。本例中 ，选择 VTHR =

3V 。

第5步

计算R2, R2可按下式计算：

本例中，R2的值为44.2k …

按如下步骤验证电压和滞回电压： 第6步

VIN 上升门限=2.992V,等于VREF 乘以R1,

除以R1、R2和R3并联后的阻值。

VIN 下降门限 =2.942V 。因此，滞回电压 =VTHR - VTHF = 50mV.

最后，开漏结构的比较器内部滞回电压为 4mV (MAX9016、MAX9018、MAX9020)，

需要外接上拉电阻，如图11所示。外加滞回可以通过正反馈产生

，但是计算公式与上拉输岀的情况

稍有不同。

滞回电压 =VTHR - VTHF = 50mV 。按如下步骤计算电阻值：

第1步

选择R3，在IN_+端的漏电流小于2nA ，所以通过R3的电流至少为0.2叭,以减小漏电流引起的 误差。R3可由R3 = VREF/IR3 或R3 = [(VCC - VREF)/IR3] - R4 两式求得，取其较小值。例如，使用

MAX9118 (VREF=1 .24V), VCC = 5V, IR3 = 0.2 卩 A, R4 =潮 计算结果为 6.2M G 和 18MG ，贝

U R3

选

6.2M ®：'。