Гистерезис. Триггер Шмитта.
Простейшая схема компаратора имеет два недостатка. При медленно изменяющемся входном сигнале напряжение на выходе также может изменяться достаточно медленно. Более того, если во входном сигнале присутствует шум, то на выходе может происходить дребезг в те моменты, когда напряжение на входе проходит через точку переключения. Даже при очень чистом входном напряжении компараторы имеют свой собственный шум — как операционный усилитель. Они также иногда издают шум, когда происходит переключение выхода.
Независимо от причины, гистерезис часто является решением — контролируемой положительной обратной связи. Это похоже на мгновенное действие тумблера. Когда вы постепенно нажимаете на рычаг, пружина, расположенная над центром, переходит в новое положение. Без действия пружины тумблер может дребезжать на полпути, его контакты искрятся.
На рисунке ниже показан простой компаратор с пороговым значением VR, установленным на 2 В. Медленно растущий и падающий вход имеет тенденцию запускать выход несколько раз в течение перехода.
На следующем рисунке R1 и R2 образуют делитель напряжения от выхода. Положительная обратная связь переключает пороговое напряжение для создания гистерезиса. Когда возрастающее входное напряжение достигает порогового значения, спадающий фронт Vo перемещает пороговое значение к более низкому напряжению, преодолевая шум, который вызывает вибрацию.
Величина гистерезиса определяется колебанием выходного напряжения компаратора VOH в сочетании со значениями резистора делителя. Полоса гистерезиса, ΔVT, устанавливается в соответствии с уровнем шума на входе и склонностью к вибрации.
Также можно построить схему неинвертирующего компаратора с гистерезисом, поменяв местами подключения к Vin и VR, (см. рисунок ниже). Пороговые напряжения немного отличаются. Необходимо убедиться, что входной сигнал устойчивый. В некоторых цепях обратная связь от выходного перехода может привести к сбоям в работе источника входного сигнала, создавая звон и еще больше дребезжания.
Некоторые компараторы имеют выходы с открытым стоком (или с открытым коллектором). Такие компараторы могут быть несколько менее эффективными в создании гистерезиса на положительном выходном фронте, потому что выходная емкость может замедлить восходящий переход. Также стоит иметь в виду, что в зависимости от выбранных значений петля гистерезиса будет нагружать выходное напряжение, уменьшая колебание выходного напряжения.
Гистерезис создает разные пороги срабатывания при повышении и понижении входных значений, что может быть недостатком в некоторых случаях. Конденсатор, включенный последовательно с R2 (емкостью 10-100 пФ), может создать временное изменение порога. Это не будет работать, если у вас очень медленно меняющийся вход, например, напряжение батареи. Этот подход годится при достаточно быстро меняющейся скорости линейного изменения.
Некоторые компараторы ( например, TLV3201 ) имеют встроенный гистерезис, внешние резисторы не требуются. Это достигается с помощью внутренних узлов схемы и оставляет входы и выходы свободными для разрабатываемой схемы. Фиксированная полоса напряжения гистерезиса этих устройств удобна и эффективна для большинства цепей. Ее всегда возможно добавить с помощью внешних резисторов, если это необходимо.
Компаратор с положительной обратной связью называется также триггером Шмитта. Эффект гистерезиса иллюстрирует представленный на рисунке ниже график зависимости выходного напряжения от входного.
Для триггеров Шмитта с небольшим гистерезисом процедура разработки проста. Воспользуемся схемой, приведенной на рисунке
Сначала выберем резистивный делитель (R1R2), чтобы приблизительно установить правильное пороговое напряжение. Если вы хотите, чтобы пороговое напряжение было близко к потенциалу земли, нужно воспользоваться одним резистором, который включен между неинвертирующим входом и землей. Далее, выберем резистор (положительной) обратной связи R3, который обеспечит требуемый гистерезис. Гистерезис равен выходному размаху, ослабленному резистивным делителем, образованным резисторами R3 и R1 ||R2. И наконец, выберем выходной «притягивающий» резистор R4 (для специализированного компаратора). Он должен быть небольшой величины, для обеспечения полного размаха в пределах питающего напряжения, с учетом нагружающего эффекта резистора R3 .
Если вы хотите, чтобы пороговые напряжения были симметричны относительно потенциала земли, включите между неинвертирующим входом и источником отрицательного напряжения питания резистор смещения соответствующей величины. Резисторы можно подобрать так, чтобы выходной ток и импеданс находились в пределах требуемого диапазона.
Дискретная транзисторная схема триггера Шмитта.
Для построения схемы триггера Шмитта можно также использовать обычные транзисторы
