运放正反馈电路讲解

在上一节中，我们学习了运放的基础知识、运放比较器电路，知道了该电路是一个无反馈（开环）运放电路。 今天我们来继续学习运放。

问题

下面是一个输入信号接在反相输入引脚，参考电压为 1 伏的运放比较器电路：

下面是上面电路的波形图：

可以看到，当输入信号大于 1 伏时，输出为低电平； 当输入信号小于 1 伏时，输出为高电平。

我们给信号加点干扰，看看会怎么样：

可以看到，随着输入信号噪音的逐渐增加，输出信号最终出现了杂波：

我们如何解决上面的问题，以实现即使输入信号有一定的干扰，也不会导致输出出现跳变？

施密特触发器电路

我们可以使用一种叫做施密特触发器（Schmitt Trigger）的运放电路来解决上面的问题:

下面是输入与输出的关系动画：

上图中，移动的黑点表示输入信号，移动的绿点表示输出信号，红点表示 LTP, 蓝点表示 UTP, 注意触发点在 Vin 超过了 UTP 后发生了跳变。

施密特触发器电路中用电阻 R2 将输出和运放同相输入引脚连接了起来，这会将输出信号反馈到运放的输入引脚。 在这里输出被反馈到同相引脚，属于正反馈，如果将输出反馈到反相引脚，则是负反馈。 运放施密特触发器电路属于一种正反馈电路。

由于输出电压 Vout 将会在正饱和电压 +Sat（接近正电源电压Vcc）和 负饱和电压(接近负电源点Vee)之间来回切换，并且 Vout 通过由 R1 和 R2 构成的电阻分压器反馈到参考电压。 所以参考电压将会在两个不同的值之间来回切换，所以最终会有两个触发点，而不是只有一个触发点。 当只有一个触发点时，如果输入信号上有噪音，会导致输入信号在触发点附近来回跳变，这会引起输出信号来回跳变。

假设开始时 Vin 为零伏，然后它逐渐增加接近上触发点。 一旦 Vin 超过这个上触发点，Vout 将会立即从高电平变为低电平，这也同时改变了参考电压，使参考电压变为负值，即下触发点（LTP）。 此时如果输入信号在上限触发电压（UTP）附近来回跳变，只要这个跳变不超过下触发点（LTP）, 那么输出信号 Vout 不会改变，一直是低电平：

参考电压变为下限触发电压（LTP）后，要想让输出电压 Vout 重新变为高电平，输入信号 Vin 得一路下降到低于 LTP 才行：

上图中，移动的黑点表示输入信号，移动的红点或蓝点表示输出信号。

一旦 Vin 下降到 LTP 以下，那么输出电压会变成高电平，同时，参考电压也会变成上限触发电压 UTP。

总结：

当触发电压为 UTP 时，在输入信号逐渐变大的过程中，一旦其值超过 UTP, 则触发电压会变为 LTP，此时输入信号如果在 UTP 附近跳动，只要不低于 LTP, 不会引起输出变动；

当触发电压为 LTP 时，在输入信号逐渐变小的过程中，一旦其值低于 LTP, 则触发电压会变为 UTP， 此时输入信号如果在 LTP 附近跳动，只要不超过 UTP, 不会引起输出变动。

举个例子

上图电路中，运放电源为正负 12 伏。 由一个 1kΩ 电阻和 11kΩ 电阻组成分压电路。 上限触发电压为 1 伏，下限触发电压为 -1 伏。

坐标系中蓝线表示输入信号。 其值从低于 -1 伏开始逐渐增加，此时输出为高电平，触发电平为 UTP(1伏)。 当输入信号逐渐增加并且超过 LTP 时，输出无变化。 再增加，一旦其值超过 UTP 时，输出电平会迅速从高电平变为低电平，同时，参考电压由较大的 UTP 变为较小的 LTP, 此后，即使输入信号有很强的噪音，导致其值在 UTP 附近上下抖动，但由于此时参考电压已经变为了较小的 LTP, 输出电平不会变动。

非对称阈值

上面的电路中，两个触发电平是在 0 伏附近的。 如果想让两个触发电平不在零伏附近，需要用3个电阻, 电路图如下：

触发电平计算公式如下：

网上有一个反相施密特触发器计算器，可以根据输入的上下限触发电压计算电路中需要的电阻值。

这里，假设我们想让上限电压为 1.1 伏，下限触发电压为 0.9 伏，参考电压就用正电源电压 9 伏，输入后计算结果如下：

它计算出的电阻为：

R1 = 16kΩ

R2 = 2kΩ

R3 = 160kΩ

调试后，我使用下面的参数：

R1=20k

R2=2.7k

R3=180k

在电路板上组装后，测得波形如下：

可以看到 UTP = 1.07伏，LTP = 0.69 V。 带有如此大噪音的输入信号并没有引起输出意外跳变，问题得到解决。

总结

今天我们一起了学习了正反馈运放电路，即反相施密特触发器电路。 知道了该电路可以产生两个触发电压，进而解决输入信号的噪音引起的输出意外跳变的问题。

该电路是人类智慧的一次集中体现，向先行者 Otto Herbert Schmitt（1934年发明施密特触发器电路） 致敬！