施密特触发器运算放大器电路

一些运算放大器电路使用正反馈. 例如，图13-44显示了一个信号整形电路，称为施密特触发器. 该电路类似于比较器，但正反馈形成两个阈值电压. 假设放大器的电源电压为±15V，则输出电压可以在±14V范围内变化. 电阻器R1和R2对输出信号进行分压，并将所得的电压加到运算放大器的同相输入端. 当图13-44的输出信号为最大正值时，分压器生成上限阈值电压:

当输出信号为负最大值时，分压器产生较低的阈值电压:

图13-45显示了施密特触发器在输入信号超过上限和下限阈值时工作. 当输入信号变为正半波并最终超过上限阈值电压2.52V时，运算放大器的反相输入端子具有比非反相输入端子更高的电压，因此输出信号迅速切换为-14V，阈值电压变为-2.52V. 后来，输入信号开始变为负信号，并最终超过下阈值电压-2.52V. 此时，施密特触发器的输出信号迅速变为+ 14V，并且同相端恢复到2.52V的上限阈值电压. 两个阈值电压之差称为磁滞电压. 此示例中的磁滞电压为:

U上限-U下限= 2.52V-（-2.52V）= 5.04V

示例13-11

如果放大器使用12V双极电源. 计算图13-44中的磁滞电压. 我们假设输出电压为±11V，阈值电压为:

这两个阈值电压之差就是磁滞电压:

磁滞电压= 1.98-（-1.98）= 3.96V

图13-46显示了施密特触发器的比较特性和图形符号. 图13-46（a）的比较特性对应于图13-44. 当输入信号低于上限阈值时，输出保持高电平. 达到高电平后，输出变为低电平，但参考端立即变为较低阈值，因此当输入电压变为低电平时，输出必须返回至较低阈值才能翻转回高电平. 您会看到，施密特触发器符号在常规运算放大器符号内有一个磁滞回线. 使用磁滞处理数字电路和系统中的噪声信号.

图13-47显示了施​​密特触发器为何不同于比较器的原因. 施密特触发器具有滞后作用，信号上的噪声不会引起误触发，并且输出信号和输入信号的频率相同. 但是，由于噪声引起误触发，所以比较器的输出信号的频率高于输入信号的频率. 注意，比较器没有迟滞. 向信号添加噪声后，它会反复通过其阈值电压，以使比较器来回翻转.

通用运算放大器需要双极性电源，有时会使用单电源. 图13-48显示了这种类型的电路. 两个10kΩ电阻对15V电源进行分压以获得+ 7.5V，并将其添加到运算放大器的同相输入端. 现在将要连接到负电源的每个放大器的端子4接地. 当没有输入信号时，两个放大器的输出均为7.5V. 当有输入信号时，输出信号在+ 14V和+ 1V之间摆动. 4.7μF电容可绕过电源上的噪声并将其接地. 单电源电路通常用于交流放大器，如图13-48所示，信号源采用电容耦合. 由于同相输入为7.5V，因此反相输入也为7.5V. 输入端的耦合电容器可防止信号源此时改变直流电压.

什么是触发器？

施密特触发器电路（缩写）是波形整形电路. 当任何波形信号进入电路时，输出会在正饱和和负饱和之间跳跃，从而产生方波或脉冲波输出. 与比较器不同的是，施密特触发器电路具有两个临界电压，并形成一个滞后区域，可以防止滞后范围内的噪声干扰电路的正常工作. 诸如遥控接收电路施密特触发器 与电源电压无关，传感器输入电路等将用于整形.

施密特触发器

通常，比较器只有一个临界电压用于比较. 如果输入端的噪声多次超过临界电压，则输出端将受到干扰，其正负状态将发生异常转变，如图1所示.

图1（a）反相比较器（b）输入和输出波形

施密特触发器如图2所示. 其输出电压除以R1和R2，然后发送回运算放大器的同相输入以形成正反馈. 由于正反馈会产生磁滞，因此，只要噪声的大小在由两个临界电压（较高临界电压和较低临界电压）形成的磁滞电压范围内，就可以避免噪声错误地触发电路，如图所示. 表1. 838电子产品

图2（a）施密特触发器反相（b）输入和输出波形

表1施密特触发器的磁滞特性

上阈值电压VTH

降低阈值电压VTL

磁滞宽度（电压）VH

VTLVTH

当输入信号νI上升到大于VTH时，触发电路使νO转变

如果输入信号νI降至VTL以下，则触发电路将νO变为状态

上下临界电压差VH = VTH -VTL

噪声在允许的磁滞宽度范围内，νO保持稳态施密特触发器

电路如图2所示. 运算放大器的输出电压在正饱和和负饱和之间切换:

νO=±Vsat. 在将输出电压除以R1和R2之后，将其反馈到同相输入端子: ν+ =βνO，

反馈因子=

当νO处于正饱和状态（+ Vsat）时，可以通过正反馈获得临界电压

当νO处于负饱和状态（-Vsat）时，通过正反馈获得较低的临界电压

VTH和VTL之间的电压差是磁滞电压:

2R1

图3（a）输入和输出波形（b）转换特性曲线

输入和输出波形以及转换特性曲线如图3（b）所示.

当输入信号上升到高于阈值上限电压VTH时，输出信号从正状态变为负状态:

νI＞ VTH→νo= -Vsat

当输入信号下降到下阈值电压VTL以下时，输出信号从负状态变为正状态:

νI＜VTL→νo= + Vsat

输出信号在正负之间变化，输出波形为方波.

同相施密特电路

图4同相施密特触发器

同相施密特电路的输入信号和反馈信号都连接到同相输入端子，如图4所示.

同相端电压可以从重叠定理中获得

反相输入端子接地: ν-= 0，当ν+ =ν-= 0时，输入电压为临界电压.

将v + = 0代入上述公式，我们得到

完成后获得临界电压

当νo处于负饱和状态时，可以获得临界电压

当νo处于正饱和状态时，可以获得较低的临界电压，

VTH和VTL之间的电压差是磁滞电压:

图5（a）计算机仿真图（b）转换特性曲线

输入和输出波形以及转换特性曲线如图5所示.

当输入信号下降到下阈值电压VTL以下时，输出信号从正状态变为负状态:

νoTL→νo= -Vsat

当输入信号上升到高于阈值上限电压VTH时施密特触发器 与电源电压无关，输出信号从负状态变为正状态:

νo＞ VTL→νo= + Vsat

输出信号在正负之间变化，输出波形为方波.

施密特触发器电路原理实验:

如图6所示，当Vi大于VR时，运算放大器的输出将获得正电压输出；如果VR大于Vi，它将获得负电压. 电压的大小受两个同质二极管的限制. 理想运算放大器的输出上升时间为0，因此可以在实际电路中获得理想曲线. 通常，从负压上升到正压需要很短的上升时间. 换句话说，运算放大器可以立即反映由Vi和VR形成的电压差. 如果基准电压VR是固定的，则仅当Vi-VR≥V1时，Vi缓慢地增加. 运算放大器的输出达到Vmax. 当Vi逐渐减小时，在输出为Vmin之前，它必须处于Vi-VR≦V1伏特. 也就是说，达到Vmax和Vmin的输出电压的条件是相同的，并且两者的Vi-VR值相差V1. 这种情况称为磁滞. 施密特触发器是利用这种现象制成的电路. 反向施密特触发器，输出电压通过分压器电路反馈到运算放大器，参考电压加到R1和R2的两端. 反馈β的值为R2 /（R1 + R2）. 该电路为正反馈. 如果输出增加V，则会有反馈βV到达运算放大器.

ViR +（R2 / R1 + R2）（Vmax-VR）时

Vi = V +时，输出转换为Vmin.

Vi> V +

时

V + = VR-（R2 / R1 + R2）（Vmin + VR）

如果此时V +逐渐减小至V2，则输出将再次转换为Vmax. 由于磁滞现象，触发输出电压反相的电压是相同的. 输入电压的增加会产生输出反相电压，该电压大于输入电压减小（V1> V2）时所需的输出反相电压.

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