運放正反饋電路講解

在上一節(jié)中，我們學習了運放的基礎知識、運放比較器電路，知道了該電路是一個無反饋（開環(huán)）運放電路。 今天我們來繼續(xù)學習運放。

問題

下面是一個輸入信號接在反相輸入引腳，參考電壓為 1 伏的運放比較器電路：

下面是上面電路的波形圖：

可以看到，當輸入信號大于 1 伏時，輸出為低電平； 當輸入信號小于 1 伏時，輸出為高電平。

我們給信號加點干擾，看看會怎么樣：

可以看到，隨著輸入信號噪音的逐漸增加，輸出信號最終出現(xiàn)了雜波：

我們如何解決上面的問題，以實現(xiàn)即使輸入信號有一定的干擾，也不會導致輸出出現(xiàn)跳變？

施密特觸發(fā)器電路

我們可以使用一種叫做施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）的運放電路來解決上面的問題:

下面是輸入與輸出的關系動畫：

上圖中，移動的黑點表示輸入信號，移動的綠點表示輸出信號，紅點表示 LTP, 藍點表示 UTP, 注意觸發(fā)點在 Vin 超過了 UTP 后發(fā)生了跳變。

施密特觸發(fā)器電路中用電阻 R2 將輸出和運放同相輸入引腳連接了起來，這會將輸出信號反饋到運放的輸入引腳。 在這里輸出被反饋到同相引腳，屬于正反饋，如果將輸出反饋到反相引腳，則是負反饋。 運放施密特觸發(fā)器電路屬于一種正反饋電路。

由于輸出電壓 Vout 將會在正飽和電壓 +Sat（接近正電源電壓Vcc）和 負飽和電壓(接近負電源點Vee)之間來回切換，并且 Vout 通過由 R1 和 R2 構成的電阻分壓器反饋到參考電壓。 所以參考電壓將會在兩個不同的值之間來回切換，所以最終會有兩個觸發(fā)點，而不是只有一個觸發(fā)點。 當只有一個觸發(fā)點時，如果輸入信號上有噪音，會導致輸入信號在觸發(fā)點附近來回跳變，這會引起輸出信號來回跳變。

假設開始時 Vin 為零伏，然后它逐漸增加接近上觸發(fā)點。 一旦 Vin 超過這個上觸發(fā)點，Vout 將會立即從高電平變?yōu)榈碗娖?，這也同時改變了參考電壓，使參考電壓變?yōu)樨撝?，即下觸發(fā)點（LTP）。 此時如果輸入信號在上限觸發(fā)電壓（UTP）附近來回跳變，只要這個跳變不超過下觸發(fā)點（LTP）, 那么輸出信號 Vout 不會改變，一直是低電平：

參考電壓變?yōu)橄孪抻|發(fā)電壓（LTP）后，要想讓輸出電壓 Vout 重新變?yōu)楦唠娖?，輸入信?Vin 得一路下降到低于 LTP 才行：

上圖中，移動的黑點表示輸入信號，移動的紅點或藍點表示輸出信號。

一旦 Vin 下降到 LTP 以下，那么輸出電壓會變成高電平，同時，參考電壓也會變成上限觸發(fā)電壓 UTP。

總結：

當觸發(fā)電壓為 UTP 時，在輸入信號逐漸變大的過程中，一旦其值超過 UTP, 則觸發(fā)電壓會變?yōu)?LTP，此時輸入信號如果在 UTP 附近跳動，只要不低于 LTP, 不會引起輸出變動；

當觸發(fā)電壓為 LTP 時，在輸入信號逐漸變小的過程中，一旦其值低于 LTP, 則觸發(fā)電壓會變?yōu)?UTP， 此時輸入信號如果在 LTP 附近跳動，只要不超過 UTP, 不會引起輸出變動。

舉個例子

上圖電路中，運放電源為正負 12 伏。 由一個 1kΩ 電阻和 11kΩ 電阻組成分壓電路。 上限觸發(fā)電壓為 1 伏，下限觸發(fā)電壓為 -1 伏。

坐標系中藍線表示輸入信號。 其值從低于 -1 伏開始逐漸增加，此時輸出為高電平，觸發(fā)電平為 UTP(1伏)。 當輸入信號逐漸增加并且超過 LTP 時，輸出無變化。 再增加，一旦其值超過 UTP 時，輸出電平會迅速從高電平變?yōu)榈碗娖?，同時，參考電壓由較大的 UTP 變?yōu)檩^小的 LTP, 此后，即使輸入信號有很強的噪音，導致其值在 UTP 附近上下抖動，但由于此時參考電壓已經(jīng)變?yōu)榱溯^小的 LTP, 輸出電平不會變動。

非對稱閾值

上面的電路中，兩個觸發(fā)電平是在 0 伏附近的。 如果想讓兩個觸發(fā)電平不在零伏附近，需要用3個電阻, 電路圖如下：

觸發(fā)電平計算公式如下：

網(wǎng)上有一個反相施密特觸發(fā)器計算器，可以根據(jù)輸入的上下限觸發(fā)電壓計算電路中需要的電阻值。

這里，假設我們想讓上限電壓為 1.1 伏，下限觸發(fā)電壓為 0.9 伏，參考電壓就用正電源電壓 9 伏，輸入后計算結果如下：

它計算出的電阻為：

R1 = 16kΩ

R2 = 2kΩ

R3 = 160kΩ

調試后，我使用下面的參數(shù)：

R1=20k

R2=2.7k

R3=180k

在電路板上組裝后，測得波形如下：

可以看到 UTP = 1.07伏，LTP = 0.69 V。 帶有如此大噪音的輸入信號并沒有引起輸出意外跳變，問題得到解決。

總結

今天我們一起了學習了正反饋運放電路，即反相施密特觸發(fā)器電路。 知道了該電路可以產(chǎn)生兩個觸發(fā)電壓，進而解決輸入信號的噪音引起的輸出意外跳變的問題。

該電路是人類智慧的一次集中體現(xiàn)，向先行者 Otto Herbert Schmitt（1934年發(fā)明施密特觸發(fā)器電路） 致敬！