比较器与正反馈跳变

比较器与正反馈跳变

一、比较器

比较器是一种将输入电压与设定门限电压进行比较、并根据比较结果输出高电平或低电平的电路。其输出只有两个稳定状态，属于二值化器件。

设输入电压为 $v_I$，门限电压为 $V_{TH}$，则理想比较器的输出 $v_O$ 满足：

• 当 $v_I>V_{TH}$ 时，$v_O=V_{OH}$（高电平）；
• 当 时，$v_O=V_{OL}$（低电平）。

其中 $V_{OH}$ 与 $V_{OL}$ 分别为输出高、低电平，通常接近正、负电源电压或地电位。

比较器可由运算放大器开环工作实现。开环时运放增益 $A_{od}$ 极大，输入差压 $v_{id}=v_I-V_{TH}$ 的微小变化即可使输出进入饱和：

• $v_{id}>0$ 时，$v_O\approx +V_{SAT}$；
• 时，$v_O\approx -V_{SAT}$。

因此开环运放天然具有比较功能，但翻转过程受运放压摆率限制，且门限附近易受噪声干扰而反复翻转。

二、正反馈与跳变

正反馈是将输出信号按一定比例送回输入端，且反馈方向与输入变化方向一致，从而增强输入变化。对比较器引入正反馈后，输出翻转会进一步加大输入端的等效差压，使翻转过程加速并迅速进入饱和。

以运放比较器为例，正反馈网络通常由电阻分压构成。设输出经反馈电阻 $R_f$ 接回同相输入端，同相端另经电阻 $R_1$ 接地，则同相端电压 $v_{+}$ 为：

当输出为高电平 $V_{OH}$ 时，上门限为：

当输出为低电平 $V_{OL}$ 时，下门限为：

两个门限之差称为回差电压：

回差的存在使比较器具有滞回特性：输入上升时须超过 $V_{TH+}$ 才翻转为高，输入下降时须低于 $V_{TH-}$ 才翻转为低。只要噪声幅度小于回差，输出就不会在门限附近反复抖动。

三、条件与关系

正反馈跳变成立的条件是：反馈极性为正，即反馈信号增强输入差压；运放工作于非线性区，输出为饱和电平 $V_{OH}$ 或 $V_{OL}$；反馈网络电阻 $R_1$、$R_f$ 决定回差大小。

回差越大，抗噪能力越强，但门限精度下降；回差越小，门限越接近理想值，但抗噪能力减弱。设计时需在两者之间折中。

四、在霍尔数字整形中的作用

霍尔传感器输出的模拟电压信号幅度较小，且常伴随噪声。将其送入带正反馈的比较器后，信号在越过门限时被迅速整形为干净的高低电平，输出与磁场极性或有无对应的数字信号。正反馈保证跳变沿陡峭、输出饱和，避免因噪声造成误翻转，从而满足后续数字电路对逻辑电平的要求。