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一种自适应迟滞性比较器的设计

关键词：迟滞电路，比较器

摘要：设计了一种由滤波器和迟滞比较器构成的传输频率信号电路。设计使用滤波器将输入

信号改变适当的相位作为迟滞比较器标准端的信号，而原信号输入比较器的另一端。那么由

于迟滞比较器的电压同时随输入信号改变。

迟滞电路（hysteresiscircuit）又称施密特触发电路（schmitttriggercircuit）。因

他能滤除干扰噪声而获得很广泛的运用。在一些应用场合中，特别在某些模/数转换电路中

[1]，迟滞比较器作为抗干扰的比较器应用较多。为了获得更好的转换效果，需要较好地选择

迟滞比较器正端输入的基准电压。而信号的未知为确定基准电压带来麻烦。本文设计的一种

加入滤波器的迟滞比较器解决了这个问题。

1迟滞比较器的设计

迟滞性是比较器的一种特性，他使比较器的输入阈值随输入(出)电平而改变。比较器实现的

方法很多。他们都有不同形式的正反馈。最常见的即是由放大器接成正反馈组成。这类迟滞

比较器由于方便的设计和放大器的标准生产成为主流。设计选用了最常见的由放大器正反馈

的设计，如图1所示。

由米尔曼公式可得输入电压升高和降低时的基准电压如下式：

而电路能滤掉的噪声即迟滞性为：

由上式可知，迟滞性由电源电压和R4，R5阻值决定。本设计中Vr的大小是变成的，因此正负

基准电压也随Vr变化，为了达到自适应的目的希望基准电压对输入有好的跟随性同时减小

输出端的影响。因此将R4取值得比R5要小一个数量级。

2滤波器的设计

设计滤波器往往要考虑下列因素：

（1）工作频率范围。

（2）参数变化的灵敏度及稳定度。

（3）实际元件的重量和大小。

（4）运算放大器的电压源。

2.1滤波器的选择[2]

本设计是工作在低频的比较器。此时当信号频率是低频时可以考虑的方式有低通、带通或全

通，同时还可选择一阶或多阶。在考虑此设计后，一阶滤波器在此设计中是较好的，且低通
滤波器是相对比较简单的，所以设计选择低通滤波器。简单低通滤波器通常可由电容与电阻

组成。本设计采用了电容与电阻并联接地的方式，最后的滤波器连同迟滞比较器设计如图2

所示。

2.2元件值的确定[3]

一阶的滤波器有公用的传输函数：

其中Z是T(S)的零点，P是极点，在S平面上，Z可能落在正实轴或负实轴上，而P永远落

在负实轴上。其中K为正数时由函数T（S）的相位公式得：

由图2得其传输函数标准形式为：

则：

对于S，当S＝jω＝0时：

当S＝jω趋向无穷大∞时：

由上式可知，电阻值可按设计的要求大概约束，如果需要其是低通滤波器则有关系式：

当上式成立时，滤波器为低通。当R为正实数时与上式等价。同时需要S＝0时|T（S）|接

近1为约束条件。由以上条件可知R1的电阻最大，R3的电阻与其有可比性。在此取R1＝10R3，

R2的电阻比其低几个数量级。

下面进行相位约束条件的探讨:

将S＝jω代入式（2）中有：

计算相位的公式如下：

由式（6）结合式（1）可得：

要此电路在1rad/s为处有45°的相位落差即要求：

则有：

而结合式（3）,（4）,（5），因为R1＝10R3，R2的电阻比其低几个数量级，则有：

两式联立求解并取C＝1，可得：

根本式（7）：当一个方程有两个未知数，可取得的某一个为定值。如果计算后是合理值，

便能解决问题。选择P＝0.005，由式（7）得Z＝1，则：

[3]
从以上的结果可以找出元件值。由于Cnew＝，Rnew＝kmRold，根据实际电路中元件值的

需要，如果按kf＝1来设计很难与实际电容大小匹配。在此令kf＝1000，km＝420。得电路

元件的实际值为：R1＝840kΩ，R3＝84kΩ，R2＝420Ω，C＝2.34μF。再将C的值标准化为

2.2μF。对R4选择值为R3的1/10，即8.4kΩ，R5则确定为R4的20倍为170kΩ。

3仿真和讨论
仿真在HSpice[5]下进行，设定其电源电压为2.3V，输入信号选择正弦信号。用HSpice的表

示方法[6]为sin（1.2V0.45V1Hz）即直流偏置为1.2V，幅值为0.45V，频率为1Hz。其仿

真波形如图3所示。

图3（a）即是输入电压随时间变化的波形，图3（b）中虚线为比较器正端的电压，其相位

与输入电压相同，在波谷由于输出端反馈而畸变；实线表征比较器负端电压，相位超前，完

成预先设计。则图3（c）中可见符合输入信号的方波输出。多种信号的输入测试表明，电

路的适应性较好，能在多个不同偏置条件的输入