如何使运算放大器比较器在施密特触发器模式下工作？

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使用运算放大器进行风扇控制时出现问题

我想控制一个小型12V机箱风扇。我将设置R ₁，R ₂和R _3的值，以使风扇在40 ^o C 以上的温度下工作。

我知道，在这类系统中，会有一个不确定的区域，比较器的输出将在高电平和低电平之间快速变化。在这种实际情况下，当温度在40 ^o C 附近时，将出现不稳定的行为。

有什么办法可以通过尽可能少地改变使其在施密特触发模式下工作（例如，在38 ^o C以下停止，在42 ^o C 以上启动，并将先前的状态保持在38 ^o C和42 ^o C之间）的方式来实现；无需使用任何施密特触发器逻辑门。

— hkBattousai
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您的要求可以理解，但您的死区范围是40到42 :-)。|| 基本原理是情况1：添加“正反馈”，以便当输出变高时，视在输入变得更高，而当输入变低时，视在输入变得更低。或情况2：向基准添加负反馈，以便当输出升高时触发点降低，从而系统必须在再次达到触发点之前先冷却。情况1：从运算放大器输出到非inv输入的电阻。或情况2：从M1漏极到反相输入的电阻。

— 拉塞尔·麦克马洪

请注意，运算放大器比较器与比较器相比有一些缺点

— Scott Seidman 2014年

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要创建施密特触发器，您必须提供正反馈，从运算放大器的输出到同相输入。通常，此输入将是阈值电压，根据运算放大器的输出，它将采用两个值之一（即磁滞）。

在您的情况下，同相输入上有信号。您也可以通过这种方式使其工作，但是我建议您同时切换两个输入，并且交换R1和PTC仍然具有相同的行为：更高的PTC电阻会降低反相输入，并且当达到阈值时，风扇将切换到。因此，让我们这样做，然后将输出中的R5添加到R2 / R3节点。

在此处输入图片说明

$V_H$ $V_L$

现在，对R2 / R3 / R5节点应用KCL（基尔霍夫现行定律）：

$\dfrac{12 V - V_L}{R3} + \dfrac{0 V - V_L}{R5} = \dfrac{V_L}{R2}$

和

$\dfrac{12 V - V_H}{R3} + \dfrac{12 V - V_H}{R5} = \dfrac{V_H}{R2}$

$V_H$ $V_L$

$\Omega$

$\begin{cases} \dfrac{12 V - 5 V}{R3} + \dfrac{0 V - 5 V}{R5} = \dfrac{5 V}{10 k\Omega} \\ \\ \\ \dfrac{12 V - 6 V}{R3} + \dfrac{12 V - 6 V}{R5} = \dfrac{6 V}{10 k\Omega} \end{cases}$

要么

$\begin{cases} \dfrac{7 V}{R3} - \dfrac{5 V}{R5} = \dfrac{5 V}{10 k\Omega} \\ \\ \\ \dfrac{6 V}{R3} + \dfrac{6 V}{R5} = \dfrac{6 V}{10 k\Omega} \end{cases}$

然后经过一些替换和改组，我们发现

$\begin{cases} R3 = 12 k\Omega \\ R5 = 60 k\Omega \end{cases}$

我已经说过这种情况不太普遍，但是您也可以使用当前原理图，并且计算结果相似。同样，在输出和同相输入之间增加一个R5反馈电阻。现在，参考输入由比率R2 / R3固定，并且磁滞将使您测量的电压上下移动，这至少对我来说是需要习惯的。

在此处输入图片说明

$_L$ $_H$

$\begin{cases} \dfrac{6 V}{PTC_H} = \dfrac{12 V - 6 V}{R1} + \dfrac{0 V - 6 V}{R5} \\ \\ \\ \dfrac{6 V}{PTC_L} = \dfrac{12 V - 6 V}{R1} + \dfrac{12 V - 6 V}{R5} \end{cases}$

同样，求解R1和R5。

— 史蒂文夫
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@Kortuk-噢，胡扯！:-)是的，您是对的，我将其添加。仅一分钟（或2、3 ...）

— stevenvh 2012年

@Kortuk-完成。快乐？:-)

— stevenvh 2012年

仍然很短：)您可能注意到我实际上并没有投票。

— Kortuk

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@Kortuk-是的，我知道你不会。我想我现在已经足够了解您，知道您首先提出了要求。;-)

— stevenvh 2012年

您的回答足够好，没有示意图，我只是认为这是一个小改进，您的回答已经得到我的支持。

— Kortuk 2012年

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您必须添加几个正反馈电阻来增加运算放大器的磁滞。

在此处输入图片说明

图片来源

— 米苏兹
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在此处输入图片说明

$V_{in}$

$\dfrac{V_{in} - V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{in} - V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{in} - V_{out}}{R_f} = 0$

根据运算放大器的特性，我们知道：

Vin <= VIL ==> Vout = VOL (Low  State)
Vin >= VIH ==> Vout = VOH (High State)

因此，我们可以针对这两种状态编写两个单独的方程式。

$\dfrac{V_{IL} - V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{IL} - V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{IL} - V_{OL}}{R_f} = 0 \\ \dfrac{V_{IL}}{R_1 // R_2 // R_f} = \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OL}}{R_f} \\ V_{IL} = (R_1 // R_2 // R_f) \left[ \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OL}}{R_f} \right] \\ V_{IH} = (R_1 // R_2 // R_f) \left[ \dfrac{V_{dd}}{R_1} + \dfrac{V_{ss}}{R_2} + \dfrac{V_{OH}}{R_f} \right] \\$

例：

R1  = 100k
R2  = 100k
Vdd = +15V
Vss = -15V
VOH = +13V
VOL = -13V

在此处输入图片说明

% Matlab code for the plotting

R1              = 100000;
R2              = 100000;
Vdd             = +15;
Vss             = -15;
VOH             = +13;
VOL             = -13;

RMIN            = 10000;        % 10k
RMAX            = 10000000;     % 10M
VMIN            = -10.0;
VMAX            = +10.0;
POINTS          = (RMAX - RMIN) / 100;

Rf              = linspace(RMIN, RMAX, POINTS);
VIL             = zeros(1, POINTS);
VIH             = zeros(1, POINTS);

for i = 1 : 1 : POINTS
    VIL(i) = 1 / ((1/R1) + (1/R2) + (1/Rf(i))) * ((Vdd/R1) + (Vss/R2) + (VOL/Rf(i)));
    VIH(i) = 1 / ((1/R1) + (1/R2) + (1/Rf(i))) * ((Vdd/R1) + (Vss/R2) + (VOH/Rf(i)));
end;

close all;
hFig = figure;
hold on;
plot([0 10], [0 0], 'Color', [0.75 0.75 0.75]);
plot(Rf/1000000, VIL, 'Color', [0 0 1]);
plot(Rf/1000000, VIH, 'Color', [1 0 0]);
xlim([RMIN/1000000, RMAX/1000000]);
ylim([VMIN, VMAX]);
xlabel('R_f (M\Omega)');
ylabel('VIL & VIH (V)');
hold off;

— hkBattousai
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如前所述，使用反馈是存档使用运算放大器滞后的关键。

阿尔伯特·李（Albert Lee）的这篇文章以实用的方式展示了如何做到这一点，以及如何进行数学运算以计算系统上所需的磁滞水平。

— 拉吉达
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