​在比较器电路中加入磁滞：LTspice实验室

本文使用SPICE模拟来解释比较器电路中基于正反馈的磁滞的功能。

在前面的三篇文章中，我们对磁滞的理论和实践进行了探讨。现在，在本系列的最后一篇文章中，我们将使用LTspice来仔细研究比较器电路中的磁滞现象。

比较器磁滞SPICE测试台

在本文的这一部分中，我们将使用图1中的测试设置来运行一些模拟。

用于测试的开环比较器电路的LTspice示意图。

•图1。LTspice比较器示意图。

我正在使用“diffschmtbuf”组件作为我的比较器。我在SpiceLine字段中为它指定的参数可以在图2中看到。

显示diffschmtbuf组件参数的SpiceLine字段的屏幕截图。

•图2。长期差异参数定义。

让我们简单来看一下每一个定义：

vhigh=5：当非反相输入（V+）处于高于反相输入（V-）的电压时，输出将为5V。

vlow=0：当V+电压低于V-时，输出为0V。

vt=0：阈值电压为0V，这意味着当两个输入电压之间的差值为0V时，输出将转变。

vh=0：比较器具有0V的磁滞。让这个值为零肯定是一个更简单的方法来增加磁滞比我们要做的，但然后我们将学习任何关于磁滞电路！

当研究图1时，您可能已经注意到比较器符号内部的一个熟悉的形状，我在图3中放大了这个形状。

•图3。具有磁滞的比较器的示意图符号。

这是典型磁滞曲线的简化版本。磁滞在比较器应用中起着如此显著的作用，以至于磁滞曲线有时被包括在比较器的示意图中。

通过串联连接两个电压源产生输入信号。第一个VRAMP在10ms内生成从0V线性增加到5V的信号。第二个VNOISE是振幅为50mV、频率为10kHz的正弦波。）。

在LTspice中模拟的斜坡和小正弦曲线的组合输入信号。

•图4。斜波和小正弦波的组合输入信号。

图5为放大视图。

图4中的组合输入信号放大视图，使信号振荡更加明显。

•图5。图4中组合输入信号放大视图。

反相端子（V-）连接到2.5V参考电压（VREF）。由于vt=0，输出转换的阈值变为VIN=V+=2.5 V。图6显示了在电路处于初始非磁滞状态时的输出行为。

•图6。图1中无磁滞电路的电压特性。

从低到高的过渡看起来有点厚。毫无疑问，如果我们放大（图7），我们会发现正弦噪声已经导致了多次转变。

•图7。图6中的绘图特写。噪声引起的多次转换。

现在我们已经使用了测试台来验证我们的设计，现在是时候介绍我们将在本文的其余部分中讨论的电路了。

磁滞反馈网络

磁滞是我们希望正反馈而不是负反馈的少数情况之一。图8显示了具有磁滞性的基本比较器电路；注意其正反馈配置不会修改参考电平。相反，我们使用电流输出电压和电流输入电压来创建一个新的信号。这个信号是我们实际应用于比较器的非反相输入端（V+）的信号。

•图8。具有正反馈磁滞的比较器的LTspice示意图。

我们从本系列的第一篇文章中了解到，磁滞的一个基本原理是使用系统的历史，或者更具体地说，输入和输出之间的相对运动，以影响系统对输入条件的响应。因此，我们从输出中反馈信息是有意义的，因为输出的当前状态指示了以前的输入活动。

如果输出当前处于正轨，则意味着输入之前高于参考电平。输入要穿过参考电平，必须减小。相反，如果输出当前处于负轨，则输入之前必须低于参考电平，并且如果它穿过参考电平，则必须增加。

图9显示了当输入从0V开始增加，输出从负轨开始时会发生什么。非反向电压信号中的垂直跃变确定了输出转变的时刻。

输入电压、参考电压以及具有正反馈的模拟比较器的非反向端子处的电压。输入信号增加。

•图9。带磁滞的比较器的车辆识别码（VIN）、车辆识别码（V+）和车辆识别码（VREF）。当输出为0V时，R1和R2形成分压器，其输出被施加到非反向输入端子（V+）。由于这种分割效果，V+比VIN低，并且以较慢的速率增加。结果导致V+值和VIN值之间的差异扩大。

V+相对于输入信号的减少意味着V+达到参考电平（VREF）需要更长的时间。从这个意义上讲，即使VREF实际上保持不变，比较器的作用就像现在参考电平更高一样。

当V+达到参考电平（VREF）时，输出转换。注意，这发生在VIN达到参考水平之后，更多的磁滞意味着对噪声的抵抗更大，但它也导致更多的转变延迟。

在图10中，输入斜波以10ms反向。此时，信号正在减少，输出从正轨开始。在上面的例子中，电路的输出从负轨开始并增加，这会产生延迟。然而，电压影响是反向的：此时V+高于VIN，直到输出切换为止。

输入电压、参考电压以及具有正反馈的模拟比较器的非反向端子处的电压。输入信号最初增加，但随后达到峰值并开始减少。

•图10。具有显示不同阈值电压的磁滞比较器的VIN、V+和VREF。

创建单独的阈值

正轨处的输出电压产生比VIN低的V+，而负轨处的输出电压产生比VIN高的V+。然而，在这两种情况下，输入信号必须超出参考电平，以便引起输出转变。

所有这一切的结果是一个系统，其中增加的输入信号具有一个阈值电平而减少的输入信号具有另一个阈值电平。增加的信号必须高于高阈值电压（VTH）；降低的信号必须低于低阈值电压（VTL）。VTH和VTL之间的差异等于磁滞量，在图11中标记为VHYST。VTH和VTL之间的区域被称为磁滞区。

显示具有磁滞的比较器中低阈值电压和高阈值电压之间的区域的图。

•图11。磁滞区。

在输出转变之后，信号波动必须达到另一个阈值以引起新的转变。通过这种方式，磁滞区赋予了抵抗噪声的能力。

假设噪声输入信号正在增加。最后它将穿过VTH，并且输出将转变为正轨。此后不久，噪声导致信号降到VTH以下。对此没有任何反应，因为信号现在正在减少，并且必须一直降到VTL以导致转换。

图12、13和14显示了通过磁滞实现的抗噪声性能。水平虚线表示VTL和VTH。

具有磁滞和噪声信号的比较器的模拟操作。

•图12。在有噪声输入信号的情况下，具有磁滞性的比较器的操作。

在图13中，输出开关处于高阈值电压（VTH）。如果电路不包括磁滞，则由于输入正弦波，输出将在阈值处多次切换。

图12中的放大图，显示了在高阈值电压下的输出电压切换。

•图13。VTH开关放大视图，高电压。

在图14中，输出开关处于低阈值电压（VTL）。

图12中的放大图，显示了低阈值电压下的输出电压切换。

•图14。VTL开关放大视图，低电压。

如果您希望获得设计帮助或其他有关影响VTL和VTH大小的数学关系的信息，我建议查看All About Circuits网站上的Comparator with Hysteresis计算器。

总结

这总结了我的四篇关于磁滞的系列文章。在本系列的过程中，我们已经从一般（将磁滞定义为理论概念）转变为具体（正反馈网络如何将基本比较器转变为磁滞比较器）。我希望这有助于你们对什么是磁滞、它是如何工作以及它是如何应用有一个深刻的了解。