施密特触发器运算放大电路

 

有少数的运算放大器电路用正反馈。例如图13－44显示了一个信号整形电路，它被称作施密特触发器。这个电路与比较器相似但正反馈形成两个阈值电压。假设放大器的电源电压是±15V，则输出电压可在±14V变动。电阻R1与R2对输出信号分压，所得到的电压加到运算放大器的同相输入端。当图13－44的输出信号是正向最大值时，分压器产生上阈值电压：

 

          

当输出信号是负向最大值时分压器产生下阈值电压：

 

图13－45显示了工作在输入信号超过上阈值和下阈值的施密特触发器。当输入信号变为正半波最后超过上阈值电压2.52V时，运算放大器的反相输入端比同相输入端电压高，因此输出信号迅速地转换到－14V, 阈值电压变成－2.52V。后来输入信号开始变负，最后超过下阈值电压－2.52V，这时施密特触发器的输出信号迅速变成＋14V，同相端又回到上阈值电压2.52V。两个阈值电压之差称作迟滞电压，本例的迟滞电压是：

U上阈－ U下阈 ＝2.52V－（－2.52V）＝5.04V

例13－11

如果放大器用12V的双极性电源。计算图13－44的迟滞电压。我们假设输出电压是±11V，阈值电压是：

这两个阈值电压之差是迟滞电压：

迟滞电压 ＝ 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）的比较特性与图13－44对应，当输入信号低于上阈时输出保持高电平，在达到高电平后输出变为低电平，但此时参考端马上变成下阈值，因此当输入电压变低时一直要退回到下阈值输出才能翻转回高电平。你可以看到施密特触发器的符号是在一般的运算放大器符号的内部有一个迟滞回环。在数字电路和系统中用迟滞现象处理噪音信号。

图13－47说明为什么施密特触发器不同于比较器。施密特触发器有迟滞作用，在信号上的噪音不能引起误触发，输出信号与输入信号频率是同样的。然而比较器的输出信号的频率比输入信号高，因为噪音引起误触发。注意比较器没有迟滞现象，在信号上迭加噪音后反复通过它的阈值电压，使比较器来回翻转。

 

 

通用运算放大器要求双极性的电源，有时也用单电源供电。图13－48显示了这种类型电路。两个10kΩ电阻对15V电源分压得到＋7.5V加于运算放大器的同相输入端。每个放大器本来要接负电源的端点4现在接地。没有输入信号时两个放大器的输出都是7.5V。有输入信号时，输出信号大约在＋14V到＋1V之间摆动。4.7μF电容旁路电源上的噪音，使它入地。单电源电路常用在交流放大器，如图13－48所示信号源用电容耦合。因为同相输入端是7.5V反相输入端也是7.5V。输入端的耦合电容防止信号源改变这点的直流电压。

 

 

什么叫触发器
施密特触发电路（简称）是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。
施密特触发器
一般比较器只有一个作比较的临界电压，若输入端有噪声来回多次穿越临界电压时，输出端即受到干扰，其正负状态产生不正常转换，如图1所示。

图1 (a)反相比较器 (b)输入输出波形
施密特触发器如图2 所示，其输出电压经由R1 、R2 分压后送回到运算放大器的非反相输入端形成正反馈。因为正反馈会产生滞后（Hysteresis）现象，所以只要噪声的大小在两个临界电压（上临界电压及下临界电压）形成的滞后电压范围内，即可避免噪声误触发电路，如表1 所示838电子

图2 (a)反相斯密特触发器 (b)输入输出波形
表1施密特触发器的滞后特性
上临界电压VTH
下临界电压VTL
滞后宽度（电压）VH
VTLVTH
输入端信号νI 上升到比VTH 大时，触发电路使νO 转态
输入端信号νI 下降到比VTL 小时，触发电路使νO 转态
上、下临界电压差VH =VTH -VTL
噪声在容许的滞 后宽度范围内，νO 维持稳定状态 反相施密特触发器
电路如图2 所示，运算放大器的输出电压在正、负饱和之间转换:
νO= ±Vsat 。输出电压经由R1 、R2 分压后反馈到非反相输入端：ν+= βνO，
其中反馈因数=

当νO为正饱和状态（+Vsat ）时，由正反馈得上临界电压

当νO 为负饱和状态（- Vsat ）时，由正反馈得下临界电压

VTH 与VTL 之间的电压差为滞后电压：

2R1

图3 (a)输入、输出波形 (b)转换特性曲线
输入、输出波形及转换特性曲线如图3(b)所示。
当输入信号上升到大于上临界电压VTH 时，输出信号由正状态转变为负状态即：
νI ＞VTH→νo = - Vsat
当输入信号下降到小于下临界电压VTL 时，输出信号由负状态转变为正状态即：
νI ＜VTL→νo = + Vsat
输出信号在正、负两状态之间转变，输出波形为方波。
非反相施密特电路

图4 非反相史密特触发器
非反相施密特电路的输入信号与反馈信号均接至非反相输入端，如图4所示。
由重迭定理可得非反相端电压

反相输入端接地： ν- = 0，当ν+ = ν- = 0 时的输入电压即为临界电压。

将ν+ = 0 代入上式得

整理后得临界电压

当νo 为负饱和状态时，可得上临界电压

当νo为正饱和状态时，可得下临界电压，

VTH与VTL之间的电压差为滞后电压：

图5 (a)计算机仿真图 （b）转换特性曲线
输入、输出波形与转换特性曲线如图5所示。
当输入信号下降到小于下临界电压VTL 时，输出信号由正状态转变为负状态：
νo TL →νo = - Vsat
当输入信号上升到大于上临界电压VTH 时，输出信号由负状态转变为正状态：
νo ＞ VTL →νo = + Vsat
输出信号在正、负两状态之间转变，输出波形为方波。
史密特触发器电路原理实验：
如图6，当Vi 大于VR 时运算放大器的输出会得到一个正向电压输出；若VR大于Vi时则会得到一个负电压。电压的大小则由两个齐紊二极管来限压。理想的运算放大器其输出上升时间为0，而在实际的电路上是上可能得到这么理想的曲线，一般从负压上升到正压需要一小段的上升时间。换言之，运算放大器并上能立刻反应Vi 及VR 所形成的电压差。如果参考电压VR 固定，那么当Vi 慢慢增加时，仅在Vi-VR≧ V1 时。运算放大器的输出达到Vmax；而当Vi 渐渐减小时却必须于Vi-VR≦ V1 伏特时，输出才为Vmin。也即，欲达Vmax 及Vmin 输出电压的条件上一样，两者Vi-VR值相差V1，这种情形称为迟滞(hysteresis)现象。史密特触发器便是利用这种现象而做成的电路。反相的史密特触发器，输出电压经由分压电路回授至运算放大器，参考电压则加在R1 及R2 的末端。回授β 值为R2/(R1+R2)，此电路为正回授，如果输出增加了V，则有回授βV 到运算放大器。
当ViR+(R2/R1+R2)(Vmax-VR)
当Vi=V+时，输出转为Vmin。
当Vi>V+
V+=VR-(R2/R1+R2)(Vmin+VR)
若此时V+渐渐小至V2，则输出又转为Vmax。由于迟滞现象，使得触发输出电压转相的电压有所上同，输入电压增加产生输出转相时所的电压，要比输入电压降低时所产生的输出转相所需电压来得大(V1>V2)。