比較器電路應該很多人用過，網上一查也很多資料，比較器電路用得最多的應該還是遲滯電壓比較器電路，那今天來聊聊我對遲滯電壓比較器電路的理解吧，主要分為以下幾個方面：

1、遲滯電壓比較器電路的工作原理

2、專用遲滯電壓比較器和運放搭建的遲滯電壓比較器的差別

3、遲滯電壓比較器的計算公式推導

1、遲滯電壓比較器的工作原理

如下圖，是常見同相遲滯電壓比較器電電路，右邊是其電壓傳輸特性。

電壓傳輸特性說明：

1、輸入上升階段：需要Vin>VH，輸出電壓才能翻轉（輸出從0翻轉到高電壓）

2、輸入下降階段：需要Vin，輸出電壓才能翻轉（輸出從高電壓翻轉到0）

從特性曲線我們可以看到，輸出電壓翻轉的兩個方向的閾值并不相同，這個區間的存在，可以抑制輸入噪聲干擾/輸入信號抖動帶來的影響，避免因為輸入端信號抖動較大，導致輸出端信號也反復來回的切換。

那這個電路是怎么做到這一點的呢？

我們先來定性分析下，可以看到，電路的輸出端是通過R2電阻接到的芯片的正相輸入端，也就是說反饋是接到正相端的，是正反饋電路。

為什么提正反饋呢？

這是因為，我們有時候為了低成本設計，使用放大器搭建遲滯電壓比較器電路，而沒有用專用的比較器放大器。而使用運放的時候，我們會經常使用“虛短”和“虛斷”來分析電路。這個時候需要注意，正反饋就沒有“虛短”的概念了，因為“虛短”的成立，是建立在電路工作在負反饋的情況下，整個電路工作在線性區。

那這個電路怎么分析呢？

我們可以這樣理解，運放和比較器的開環增益都非常大，那么當運放/比較器的兩個輸入端只要滿足 V+ > V-，那么Vout 就輸出高。反之，如果V+ < V-，那么Vout輸出低，我們記住這個前提。

a、我們假設剛開始Vin=0，那么Vout也為0，這個時候我們讓輸入Vin的值不斷增大，可以知道，當Vin增大到一定值VH，V+ = V-，如果Vin再繼續增大一點點，就會滿足V+ > V-，這個時候Vout就會輸出高。也即是說輸出Vout從0到高電平翻轉時，其輸入Vin電壓需要達到閾值VH（嚴格來說，是大于VH一丟丟）。

b、Vout電壓從0變成高之后，因為Vout通過電阻R2接到了運放/比較器的V+，也就是正反饋，這會讓V+進一步增大，V+ 大于V-更多，所以輸出維持高電平。因此，這個時候要想讓Vout重新輸出0，那就需要Vin比原來的VH更低，對應于上圖的VL。即輸出Vout 從高電平到0翻轉時，其輸入Vin電壓需要達到閾值VL（嚴格來說，是小于VL一丟丟）。

以上就是同相遲滯電壓比較器的工作原理介紹，反相遲滯電壓比較器原理類似，就不再寫一遍了，下面來看具體的電路設計與計算。

先來看同相遲滯電壓比較器的電路設計以及各個電阻的取值吧。

2、同相遲滯電壓比較器的設計及計算

電路圖上面其實已經給出來了，我再放一下吧，如下圖所示。

這里需要關注下電阻R3，需要根據選用的比較器/運放芯片的型號來決定是否要加上。因為有些比較器的輸出是開漏輸出的，如果沒有上拉電阻，輸出是無法輸出高的。

以Ti的比較器LM393為例，其就是開漏輸出的，所以輸出必須要要接上拉電阻Rpullup

以Ti的比較器TLV3201為例，其輸出本身就是推挽輸出，因此外部就不需要上拉電阻，如下圖所示：

同樣的，如果我們用集成運放來替代比較器芯片，也是可以不要上拉電阻的。這一點很容易想明白，正常運放即使沒有上拉電阻，也是可以輸出對應的高電壓的，其相當于是推挽輸出，比如下方的TI的運放芯片LM358。

為什么我這里專門提示這個電阻R3呢？這是因為這里只要稍一不注意，要接的時候沒接，就容易出現功能異常，只能改板了。

相對來說，需要接上拉電阻的時候，電路設計計算起來就更復雜，那么我們就直接來算開漏輸出比較器的電路吧。

設計一個電路，我們總歸有一些已知條件。

一般來說，我們用到遲滯電壓比較器的時候，總歸知道自己的運放電路的供電電源電壓，輸出端上拉電阻接的電源電壓，還有自己希望的兩個觸發閾值電壓VH和VL，針對這些條件，我們先設置下初始上拉電阻R3，分壓電阻R5，還有初步設置一個反饋電阻R2。據此，我們可以求得電阻R1和R4，這樣，我們的電路各個器件就都明確了。

上面的題目簡化下就是下圖：

下面就來詳細介紹下如何求解R1和R4。

a、由工作原理圖可知，當Vout初始電壓為0時，如果Vin電壓等于VH，此時比較器的同相輸入端V+=VTH，因此有了下面的公式：

b、同樣由工作原理可知，當Vout初始電壓為高時，如果輸入電壓為VL，那么此時比較器的同相輸入端V+=VTH，因此我們又有下面的公式：

c、上面2步，我們有2個公式，2個變量，因此最終可以求得R1如下所示：

上面引入了系數a，b，c，這是因為如果不引入，最后R1的等式非常的復雜，因此只是為了簡化。

d、比較器的輸入阻抗都非常大，可以看作是斷路，所以比較器的負相端V-的電壓就是固定的，不論Vout電壓是多少，Vth就是Vref在電阻R5上的分壓，因此我們有了公式：Vth=Vref*R5/（R4+R5）；再結合步驟c中的公式，我們就可以求得R4了，過程如下：

同相比較器電路，知道了具體的電路，如何計算上下門限VL和VH？

以上是我們知道VL和VH情況下，計算各個電阻值應該取多少。但有時我們已經知道了電路圖，需要計算VL和VH，比如這個場景：我們剛剛到新公司時，有了現成的電路圖，需要理解并檢查電路，這個時候我們就需要知道VL和VH是多少了。簡化下題目如下：

具體求解過程如下圖：

小結下，以上兩種已知條件下，求解公式匯總如下圖：

至此，同相比較器我們已經分析完了，下面來看下反相遲滯電壓比較器的設計及計算

3、反相遲滯電壓比較器的設計與計算

反相遲滯電壓比較器典型電路如下圖：

同樣的，當我們想設定兩個門限電壓VL和VH，那么電阻該如何取值呢？

求解過程如下圖：

同樣有另外一個問題，反相比較器電路，知道了具體的電路，如何計算上下門限VL和VH？

求解過程如下：

至此，我們將同相和反相遲滯電壓比較器電路的計算公式都推導出來了。公式看著有點復雜，不過也不用擔心麻煩，我已經將相關計算公式放到了我的app“硬件工程師煉成之路開發助手里面”。

除此之外，App助手上面也更新了前一段時間推導的MOS管功耗計算的公式，效果如下圖：

助手下載方法：

點擊此文下方下載資料，即可獲取。

參考文檔：

1、具有遲滯功能的同相比較器電路

https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca861

2、具有遲滯功能的反相比較器電路

https://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/zhca870

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