施密特触发器有几个稳定状态(施密特触发器有两个稳态)

所谓“反馈”是取放大器的一部分输出电压,作为输入参考电压,与输入信号进行比较。由于放大器有正相输入端、负相输入端,所以构成反馈方式有正反馈、负反馈。本节介绍这这两种反馈的工作原理。

如图1.2(a),把输出信号的一部分引入正相输入端“+”为正反馈。图1.2(b),把输出信号的一部分引入反相输入端“-”为负反馈。

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图1.2 放大器反馈方式

正反馈—施密特触发器

为便于电路分析将图1.2(a)引入激励信号VS,对应输出信号为VO,反馈电压Vf是基于电阻R2在串联电阻R1,R2通路上对输出信号的分压,重新绘电路如图1.3,反馈电压如式1-1。

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图1.3 放大器正反馈示意图

反相输入端电压是V-, 同相输入端电压是V+,放大器输入的差分电压Vin为同相端输入电压与反相端输入电压之差,如式1-2。

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当放大器的供电电压为±VCC,工作方式如图1.4,获得两点结论:

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图1.4 正反馈电路工作方式

(1)正反馈的输出信号VO,随输入信号VS的变化,在+VCC,-VCC两个电源轨电压处振荡。

(2)反馈电压Vf随输出信号VO的变化而变化,如式1-3。

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其中,Vs信号电压正(反)向增加时,与反馈信号Vf电压比较,改变输出信号Vo极性的阈值电压称为上限电压VU(下限电压VL),关系如式1-4。

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上限电压VU与下限电压VL的差值称为滞后电压VH。这个电压比较的工作过程是施密特触发器的工作原理。

使用ADA4077-2实现施密特电路,工作电压为±12V,R1、R2电阻设定为10KΩ,激励信号Vs是幅值为±12V,频率为1KHz正弦波,输出电压为Vo,反馈电压Vf,如图1.5。

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图1.5 施密特电路仿真

仿真结果如图1.6,反馈电压Vf的上限电压VU为6V,下限电压VL为-6V,当Vin电压增加超过+6V时,输出电压VO变为-12V;当VS电压下降低于-6V时,输出电压VO变为+12V。

正反馈工作中放大器的同相输入端、反相输入端保持非常大的电压差,使得放大器的输入级工作在饱和区或截止区,所以,施密特触发器适用于周期信号、脉冲信号与设定阈值电压的信号整形,或者延迟控制等方面。

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图1.6 施密特电路仿真结果

负反馈—输入端“虚短、虚断”特性

如图1.7,负反馈工作中的放大器,VS为激励信号,VO为输出信号,Vf为反馈信号,放大器两个输入端电压差为Vin,放大器的增益A接近无限大,电源供电电压为±Vcc,工作方式如图1.8。

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图1.7放大器负反馈示意图

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图1.8负反馈电路工作方式

输出信号VO、反馈信号Vf紧紧跟随输入信号的变化。放大器对输入误差的增益A接近无限大,为保证放大器输出信号不失真,放大器两个输入端V+、V-的电压差信号接近0V,即“虚短”。(由于失调电压参数的存在,没有称“真短”

“虚断”是指分别流入放大器两个输入端的电流I+,I-接近0A(由于偏置电流参数的存在,没有称为“真断”),即放大器的两个输入端与外部电路近似断开。

在负反馈电路中“虚短”、“虚断”原则,是保证放大器实现线性放大的基本条件。

如下介绍负反馈基础电路

1 反相放大电路

如图1.12(a)为双电源供电的反相放大电路,输入信号Vin,通过电阻Rg作用于放大器的反相输入端。由于“虚短”原则,反相输入端电压为0V,又由于“虚断”输入电流与输出电流大小相等,方向相反,即输出电压VO与输入电压Vin的符号相反,如式1-12。

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反相电路的增益G,如式1-13

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反相放大电路的力学模型是杠杆,如图1.12(b)。杠杆的支点是反相输入端的电压(0V),杠杆的长度是对应电阻(Rg、Rf)阻值,杠杆的摆幅是对应输入、输出的电压(VO、Vin)。

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图1.12 反相放大电路及力学模型

如图1.13,使用ADA4077实现反相放大电路,电源使用±15V,激励信号Vin是峰峰值为0.2V,频率为10KHz的正弦信号,通过2KΩ电阻R1连接到反相输入端,反馈电阻R2为10KΩ。

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图1.13 反相放大电路仿真图

电路瞬态分析结果如图1.14。输出(out)信号是频率为10KHz,峰峰值为1V正弦信号。峰峰值是输入信号的5倍,但是相位与输入信号相差半个周期。

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图1.14 反相放大电路仿真结果

上述是双电源供电电路,在单电源供电电路中,同相输入端的“地”电位将由参考电压Vref取代,典型取值为电源电压的一半,如图1.15。因此,输入电压和输出电压将以Vref电压为参考,其输入电压与输出电压关系满足式1-14。

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图1.15 单电源供电反向放大电路

2 同相放大电路

如图1.16(a),双电源供电的同相放大电路,输入信号Vin直接作用于放大器的同相输入端。由于“虚短”原则,反相输入端电压为Vin,再根据“虚断”原则输入电流与输出电流大小相等,方向相同,即输出信号VO与输入信号Vin符号相同,如式1-15。

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整理得到同相电路的增益G,如式1-16。

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同相放大电路的力学模型是钟摆,如图1.16(b)。钟摆的固定点是地,上摆(Rg)的摆幅Vin,带动下摆(Rg+Rf)产生Vo的摆幅VO,下摆(VO)的方向跟随上摆(Vin)的方向。

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图1.16同相放大电路及力学模型

如图1.17,使用ADA4077组建同相放大电路,电源使用±15V供电,激励信号Vin是峰峰值为2V,频率为10KHz的正弦信号,连接到同向输入端。反相输入端通过10KΩ电阻R1连接到地,反馈电阻R2为10KΩ,连接在输出端与反相输入端。

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图1.17同相放大电路仿真图

电路瞬态分析的结果如图1.18。输出信号是峰峰值为4V的正弦信号,是输入信号幅值的2倍,并且与输入信号同频率、同相位。

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图1.18同相放大电路仿真结果

3 求和电路

如图1.19为双电源供电的求和电路,在反向放大电路基础上增加Vin2、Vin3两路信号源,分别通过Rg2、Rg3连接到反向输入端。根据叠加定律电路,输出信号是输入信号Vin1、Vin2、Vin3单独作用时,产生的输出信号Vo1、Vo2、Vo3的总和,如式1-17。

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图1.19求和电路

如图1.20,使用ADA4077组建的三路输入信号的求和电路,电源使用±15V供电,反馈电阻R2为10KΩ,激励信号Vin1是峰峰值为1V,频率为10KHz的正弦信号,通过电阻R1(4.99KΩ)连接到反相输入端;激励信号Vin2是峰峰值为0.4V,频率为10KHz的正弦信号,通过电阻R3(2KΩ)连接到反相输入端;激励信号Vin3是峰峰值为2V,频率为10KHz的正弦信号,通过电阻R4(10KΩ)连接到反相输入端。

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图1.20 求和电路仿真图

电路瞬态分析的结果如图1.21。输出信号的峰峰值为6V,是将Vin1峰峰值放大2倍、Vin2峰峰值放大5倍,Vin3峰峰值放大1倍的总和,输出信号频率与输入信号频率相同,输出信号相位与输入信号相位相差半个周期。

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图1.21 求和电路仿真结果

4 积分电路

如图1.22为双电源供电的积分电路,输入端电流Iin,如式1-18。

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输出端电容上的蓄积电压VO,如式1-19。

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又因为电容Cf电荷量满足式1-20。

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图1.22 积分电路

根据“虚短、虚断”原则,输出信号VO为输入信号Vin积分后的电压,如式1-21。

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上述为理想积分器的电路,截至频率会跟随电路的放大倍数变化而变化,需要另外使用反馈电阻Rf,给予放大器稳定的带宽,如图1.23。

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图1.23实用积分电路

如图1.24,由ADA4077组建的积分电路,电源使用±15V供电,反馈电阻R2为100KΩ,反馈电容Cf为0.1μF,激励信号Vin是幅值为±5V,周期为10ms 方波信号

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图1.24 积分电路仿真图

电路瞬态分析的结果如图1.25,输出信号为锯齿波,是对输入信号的连续积分运算。

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图1.25积分电路瞬态分析结果

5 微分电路

如图1.26为双电源供电的微分电路,输入信号Vin,如式1-22。

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将式1-22对时间t求导数,整理获得输入电流Iin,如式1-23。

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根据“虚短、虚断”原则,输出电压VO满足式1-24。

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图1.26 微分电路

在实际微分运算电路中,当输入电压变化时,极易使放大器内部的放大管进入饱和或者截至状态,从导致电路工作异常。电路改善的方法是,在输入端串联电阻Rg,在反馈电阻Rf并联小电容Cf,如有需要再并联稳压二极管D1、D2,如图1.27。

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图1.27 实用微分电路

如图1.28,由ADA4077组建的微分电路,电源使用±15V,反馈电阻R2为100Ω,反馈电容C1为0.01μF,输入端电阻R1为100Ω,输入端电容C2为1μF,激励信号Vin是为峰峰值为10V,周期10ms方波信号。

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图1.28 微分电路仿真图

电路瞬态分析的结果如图1.29,在输入信号电平转换时进行微分运算产生输出脉冲信号。

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图1.29 微分电路仿真瞬态分析结果

6 差动放大电路

如图1.30为双电源供电的差动放大电路,输入信号Vin1,通过电阻Rg1作用于放大器的反相输入端,输出信号VO通过反馈电阻Rf回馈到反相输入端,输入信号Vin2,通过电阻Rg2作用于放大器的同相输入端,同相输入端同通过电阻Rref连接到参考电压,在双电源供电电路中,参考电压可接地处理,单端电源供电时参考电压为供电电压的一半。

由“虚短”原则,放大器反相、同相端输入电压Va、Vb,如式1-25。

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根据“虚断”原则与基尔霍夫定律可得In1等于Io,如式1-26。

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进一步整理可得,式1-27。

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当Rg2=Rg1,Rf=Rref时,式1-27可简化为式1-28。

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图1.30差动放大电路

如图1.31,由ADA4077组建的差动运算电路,电源使用±15V供电,反馈电阻R2为100KΩ,激励信号Vin1是峰峰值为2.7V,频率为10KHz的正弦信号,通过电阻R1(10KΩ)连接到反相输入端;激励信号Vin2是峰峰值为2.4V,频率为10KHz的正弦信号,通过电阻R3(10KΩ)连接到同相输入端,同相输入端通过电阻R4(100KΩ)连接到地。输入信号Vin1、Vin2的相位相同。

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图1.31差动放大电路仿真图

电路瞬态分析的结果如图1.32,输出信号是峰峰值为3V,频率为10KHz的正弦波。幅值是将输入信号Vin1,Vin2的差值放大10倍。输出信号与输入信号的频率相同,相位相差半个周期。

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图1.32差动放大电路瞬态仿真结果

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