?在比較器電路中加入磁滯：LTspice實(shí)驗(yàn)室

本文使用SPICE模擬來(lái)解釋比較器電路中基于正反饋的磁滯的功能。

在前面的三篇文章中，我們對(duì)磁滯的理論和實(shí)踐進(jìn)行了探討?，F(xiàn)在，在本系列的最后一篇文章中，我們將使用LTspice來(lái)仔細(xì)研究比較器電路中的磁滯現(xiàn)象。

比較器磁滯SPICE測(cè)試臺(tái)

在本文的這一部分中，我們將使用圖1中的測(cè)試設(shè)置來(lái)運(yùn)行一些模擬。

用于測(cè)試的開(kāi)環(huán)比較器電路的LTspice示意圖。

?圖1。LTspice比較器示意圖。

我正在使用“diffschmtbuf”組件作為我的比較器。我在SpiceLine字段中為它指定的參數(shù)可以在圖2中看到。

顯示diffschmtbuf組件參數(shù)的SpiceLine字段的屏幕截圖。

?圖2。長(zhǎng)期差異參數(shù)定義。

讓我們簡(jiǎn)單來(lái)看一下每一個(gè)定義：

vhigh=5：當(dāng)非反相輸入（V+）處于高于反相輸入（V-）的電壓時(shí)，輸出將為5V。

vlow=0：當(dāng)V+電壓低于V-時(shí)，輸出為0V。

vt=0：閾值電壓為0V，這意味著當(dāng)兩個(gè)輸入電壓之間的差值為0V時(shí)，輸出將轉(zhuǎn)變。

vh=0：比較器具有0V的磁滯。讓這個(gè)值為零肯定是一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法來(lái)增加磁滯比我們要做的，但然后我們將學(xué)習(xí)任何關(guān)于磁滯電路！

當(dāng)研究圖1時(shí)，您可能已經(jīng)注意到比較器符號(hào)內(nèi)部的一個(gè)熟悉的形狀，我在圖3中放大了這個(gè)形狀。

?圖3。具有磁滯的比較器的示意圖符號(hào)。

這是典型磁滯曲線的簡(jiǎn)化版本。磁滯在比較器應(yīng)用中起著如此顯著的作用，以至于磁滯曲線有時(shí)被包括在比較器的示意圖中。

通過(guò)串聯(lián)連接兩個(gè)電壓源產(chǎn)生輸入信號(hào)。第一個(gè)VRAMP在10ms內(nèi)生成從0V線性增加到5V的信號(hào)。第二個(gè)VNOISE是振幅為50mV、頻率為10kHz的正弦波。）。

在LTspice中模擬的斜坡和小正弦曲線的組合輸入信號(hào)。

?圖4。斜波和小正弦波的組合輸入信號(hào)。

圖5為放大視圖。

圖4中的組合輸入信號(hào)放大視圖，使信號(hào)振蕩更加明顯。

?圖5。圖4中組合輸入信號(hào)放大視圖。

反相端子（V-）連接到2.5V參考電壓（VREF）。由于vt=0，輸出轉(zhuǎn)換的閾值變?yōu)閂IN=V+=2.5 V。圖6顯示了在電路處于初始非磁滯狀態(tài)時(shí)的輸出行為。

?圖6。圖1中無(wú)磁滯電路的電壓特性。

從低到高的過(guò)渡看起來(lái)有點(diǎn)厚。毫無(wú)疑問(wèn)，如果我們放大（圖7），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)正弦噪聲已經(jīng)導(dǎo)致了多次轉(zhuǎn)變。

?圖7。圖6中的繪圖特寫(xiě)。噪聲引起的多次轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)在我們已經(jīng)使用了測(cè)試臺(tái)來(lái)驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在是時(shí)候介紹我們將在本文的其余部分中討論的電路了。

磁滯反饋網(wǎng)絡(luò)

磁滯是我們希望正反饋而不是負(fù)反饋的少數(shù)情況之一。圖8顯示了具有磁滯性的基本比較器電路；注意其正反饋配置不會(huì)修改參考電平。相反，我們使用電流輸出電壓和電流輸入電壓來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是我們實(shí)際應(yīng)用于比較器的非反相輸入端（V+）的信號(hào)。

?圖8。具有正反饋磁滯的比較器的LTspice示意圖。

我們從本系列的第一篇文章中了解到，磁滯的一個(gè)基本原理是使用系統(tǒng)的歷史，或者更具體地說(shuō)，輸入和輸出之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以影響系統(tǒng)對(duì)輸入條件的響應(yīng)。因此，我們從輸出中反饋信息是有意義的，因?yàn)檩敵龅漠?dāng)前狀態(tài)指示了以前的輸入活動(dòng)。

如果輸出當(dāng)前處于正軌，則意味著輸入之前高于參考電平。輸入要穿過(guò)參考電平，必須減小。相反，如果輸出當(dāng)前處于負(fù)軌，則輸入之前必須低于參考電平，并且如果它穿過(guò)參考電平，則必須增加。

圖9顯示了當(dāng)輸入從0V開(kāi)始增加，輸出從負(fù)軌開(kāi)始時(shí)會(huì)發(fā)生什么。非反向電壓信號(hào)中的垂直躍變確定了輸出轉(zhuǎn)變的時(shí)刻。

輸入電壓、參考電壓以及具有正反饋的模擬比較器的非反向端子處的電壓。輸入信號(hào)增加。

?圖9。帶磁滯的比較器的車(chē)輛識(shí)別碼（VIN）、車(chē)輛識(shí)別碼（V+）和車(chē)輛識(shí)別碼（VREF）。當(dāng)輸出為0V時(shí)，R1和R2形成分壓器，其輸出被施加到非反向輸入端子（V+）。由于這種分割效果，V+比VIN低，并且以較慢的速率增加。結(jié)果導(dǎo)致V+值和VIN值之間的差異擴(kuò)大。

V+相對(duì)于輸入信號(hào)的減少意味著V+達(dá)到參考電平（VREF）需要更長(zhǎng)的時(shí)間。從這個(gè)意義上講，即使VREF實(shí)際上保持不變，比較器的作用就像現(xiàn)在參考電平更高一樣。

當(dāng)V+達(dá)到參考電平（VREF）時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換。注意，這發(fā)生在VIN達(dá)到參考水平之后，更多的磁滯意味著對(duì)噪聲的抵抗更大，但它也導(dǎo)致更多的轉(zhuǎn)變延遲。

在圖10中，輸入斜波以10ms反向。此時(shí)，信號(hào)正在減少，輸出從正軌開(kāi)始。在上面的例子中，電路的輸出從負(fù)軌開(kāi)始并增加，這會(huì)產(chǎn)生延遲。然而，電壓影響是反向的：此時(shí)V+高于VIN，直到輸出切換為止。

輸入電壓、參考電壓以及具有正反饋的模擬比較器的非反向端子處的電壓。輸入信號(hào)最初增加，但隨后達(dá)到峰值并開(kāi)始減少。

?圖10。具有顯示不同閾值電壓的磁滯比較器的VIN、V+和VREF。

創(chuàng)建單獨(dú)的閾值

正軌處的輸出電壓產(chǎn)生比VIN低的V+，而負(fù)軌處的輸出電壓產(chǎn)生比VIN高的V+。然而，在這兩種情況下，輸入信號(hào)必須超出參考電平，以便引起輸出轉(zhuǎn)變。

所有這一切的結(jié)果是一個(gè)系統(tǒng)，其中增加的輸入信號(hào)具有一個(gè)閾值電平而減少的輸入信號(hào)具有另一個(gè)閾值電平。增加的信號(hào)必須高于高閾值電壓（VTH）；降低的信號(hào)必須低于低閾值電壓（VTL）。VTH和VTL之間的差異等于磁滯量，在圖11中標(biāo)記為VHYST。VTH和VTL之間的區(qū)域被稱(chēng)為磁滯區(qū)。

顯示具有磁滯的比較器中低閾值電壓和高閾值電壓之間的區(qū)域的圖。

?圖11。磁滯區(qū)。

在輸出轉(zhuǎn)變之后，信號(hào)波動(dòng)必須達(dá)到另一個(gè)閾值以引起新的轉(zhuǎn)變。通過(guò)這種方式，磁滯區(qū)賦予了抵抗噪聲的能力。

假設(shè)噪聲輸入信號(hào)正在增加。最后它將穿過(guò)VTH，并且輸出將轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。此后不久，噪聲?dǎo)致信號(hào)降到VTH以下。對(duì)此沒(méi)有任何反應(yīng)，因?yàn)樾盘?hào)現(xiàn)在正在減少，并且必須一直降到VTL以導(dǎo)致轉(zhuǎn)換。

圖12、13和14顯示了通過(guò)磁滯實(shí)現(xiàn)的抗噪聲性能。水平虛線表示VTL和VTH。

具有磁滯和噪聲信號(hào)的比較器的模擬操作。

?圖12。在有噪聲輸入信號(hào)的情況下，具有磁滯性的比較器的操作。

在圖13中，輸出開(kāi)關(guān)處于高閾值電壓（VTH）。如果電路不包括磁滯，則由于輸入正弦波，輸出將在閾值處多次切換。

圖12中的放大圖，顯示了在高閾值電壓下的輸出電壓切換。

?圖13。VTH開(kāi)關(guān)放大視圖，高電壓。

在圖14中，輸出開(kāi)關(guān)處于低閾值電壓（VTL）。

圖12中的放大圖，顯示了低閾值電壓下的輸出電壓切換。

?圖14。VTL開(kāi)關(guān)放大視圖，低電壓。

如果您希望獲得設(shè)計(jì)幫助或其他有關(guān)影響VTL和VTH大小的數(shù)學(xué)關(guān)系的信息，我建議查看All About Circuits網(wǎng)站上的Comparator with Hysteresis計(jì)算器。

總結(jié)

這總結(jié)了我的四篇關(guān)于磁滯的系列文章。在本系列的過(guò)程中，我們已經(jīng)從一般（將磁滯定義為理論概念）轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w（正反饋網(wǎng)絡(luò)如何將基本比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榇艤容^器）。我希望這有助于你們對(duì)什么是磁滯、它是如何工作以及它是如何應(yīng)用有一個(gè)深刻的了解。