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运放教程2-正反馈电路

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在上一节 运放教程1-入门 中,我们学习了运放的基础知识、运放比较器电路,知道了该电路是一个无反馈(开环)运放电路。今天我们来继续学习运放。

问题

下面是一个输入信号接在反相输入引脚,参考电压为 1 伏的运放比较器电路:

下面是上面电路的波形图:

可以看到,当输入信号大于 1 伏时,输出为低电平;当输入信号小于 1 伏时,输出为高电平。

我们给信号加点干扰,看看会怎么样:

可以看到,随着输入信号噪音的逐渐增加,输出信号最终出现了杂波:

我们如何解决上面的问题,以实现即使输入信号有一定的干扰,也不会导致输出出现跳变?

施密特触发器电路

我们可以使用一种叫做施密特触发器(Schmitt Trigger)的运放电路来解决上面的问题:

下面是输入与输出的关系动画:

上图中,移动的黑点表示输入信号,移动的绿点表示输出信号,红点表示 LTP, 蓝点表示 UTP, 注意触发点在 Vin 超过了 UTP 后发生了跳变。

施密特触发器电路中用电阻 R2 将输出和运放同相输入引脚连接了起来,这会将输出信号反馈到运放的输入引脚。在这里输出被反馈到同相引脚,属于正反馈,如果将输出反馈到反相引脚,则是负反馈。运放施密特触发器电路属于一种正反馈电路。

由于输出电压 Vout 将会在正饱和电压 +Sat(接近正电源电压Vcc)和 负饱和电压(接近负电源点Vee)之间来回切换,并且 Vout 通过由 R1 和 R2 构成的电阻分压器反馈到参考电压。 所以参考电压将会在两个不同的值之间来回切换,所以最终会有两个触发点,而不是只有一个触发点。当只有一个触发点时,如果输入信号上有噪音,会导致输入信号在触发点附近来回跳变,这会引起输出信号来回跳变。

假设开始时 Vin 为零伏,然后它逐渐增加接近上触发点。一旦 Vin 超过这个上触发点,Vout 将会立即从高电平变为低电平,这也同时改变了参考电压,使参考电压变为负值,即下触发点(LTP)。此时如果输入信号在上限触发电压(UTP)附近来回跳变,只要这个跳变不超过下触发点(LTP), 那么输出信号 Vout 不会改变,一直是低电平:

参考电压变为下限触发电压(LTP)后,要想让输出电压 Vout 重新变为高电平,输入信号 Vin 得一路下降到低于 LTP 才行:

上图中,移动的黑点表示输入信号,移动的红点或蓝点表示输出信号。

一旦 Vin 下降到 LTP 以下,那么输出电压会变成高电平,同时,参考电压也会变成上限触发电压 UTP。

总结:

当触发电压为 UTP 时,在输入信号逐渐变大的过程中,一旦其值超过 UTP, 则触发电压会变为 LTP,此时输入信号如果在 UTP 附近跳动,只要不低于 LTP, 不会引起输出变动;

当触发电压为 LTP 时,在输入信号逐渐变小的过程中,一旦其值低于 LTP, 则触发电压会变为 UTP, 此时输入信号如果在 LTP 附近跳动,只要不超过 UTP, 不会引起输出变动。

举个例子

上图电路中,运放电源为正负 12 伏。由一个 1kΩ 电阻和 11kΩ 电阻组成分压电路。上限触发电压为 1 伏,下限触发电压为 -1 伏。

坐标系中蓝线表示输入信号。其值从低于 -1 伏开始逐渐增加,此时输出为高电平,触发电平为 UTP(1伏)。当输入信号逐渐增加并且超过 LTP 时,输出无变化。再增加,一旦其值超过 UTP 时,输出电平会迅速从高电平变为低电平,同时,参考电压由较大的 UTP 变为较小的 LTP, 此后,即使输入信号有很强的噪音,导致其值在 UTP 附近上下抖动,但由于此时参考电压已经变为了较小的 LTP, 输出电平不会变动。

非对称阈值

上面的电路中,两个触发电平是在 0 伏附近的。如果想让两个触发电平不在零伏附近,需要用3个电阻, 电路图如下:

触发电平计算公式如下:

网上有一个反相施密特触发器计算器,可以根据输入的上下限触发电压计算电路中需要的电阻值,网址是:https://www.random-science-tools.com/electronics/inverting-schmitt-trigger-calculator.htm

这里,假设我们想让上限电压为 1.1 伏,下限触发电压为 0.9 伏,参考电压就用正电源电压 9 伏,输入后计算结果如下:

它计算出的电阻为:

R1 = 16kΩ

R2 = 2kΩ

R3 = 160kΩ

调试后,我使用下面的参数:

R1=20k

R2=2.7k

R3=180k

在电路板上组装后,测得波形如下:

可以看到 UTP = 1.07伏,LTP = 0.69 V。带有如此大噪音的输入信号并没有引起输出意外跳变,问题得到解决。

总结

今天我们一起了学习了正反馈运放电路,即反相施密特触发器电路。知道了该电路可以产生两个触发电压,进而解决输入信号的噪音引起的输出意外跳变的问题。

该电路是人类智慧的一次集中体现,向先行者 Otto Herbert Schmitt(1934年发明施密特触发器电路) 致敬!

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