遲滯電路（hysteresis circuit）又稱施密特觸發(fā)電路（schmitt trigger circuit）。因他能濾除干擾噪聲而獲得很廣泛的運(yùn)用。在一些應(yīng)用場合中，特別在某些模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中^[1]，遲滯比較器作為抗干擾的比較器應(yīng)用較多。為了獲得更好的轉(zhuǎn)換效果，需要較好地選擇遲滯比較器正端輸入的基準(zhǔn)電壓。而信號的未知為確定基準(zhǔn)電壓帶來麻煩。本文設(shè)計的一種加入濾波器的遲滯比較器解決了這個問題。

1 遲滯比較器的設(shè)計

遲滯性是比較器的一種特性，他使比較器的輸入閾值隨輸入(出)電平而改變。比較器實(shí)現(xiàn)的方法很多。他們都有不同形式的正反饋。最常見的即是由放大器接成正反饋組成。這類遲滯比較器由于方便的設(shè)計和放大器的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)成為主流。設(shè)計選用了最常見的由放大器正反饋的設(shè)計，如圖1所示。

由米爾曼公式可得輸入電壓升高和降低時的基準(zhǔn)電壓如下式：

而電路能濾掉的噪聲即遲滯性為：

由上式可知，遲滯性由電源電壓和R₄，R₅阻值決定。本設(shè)計中V_r的大小是變成的，因此正負(fù)基準(zhǔn)電壓也隨V_r變化，為了達(dá)到自適應(yīng)的目的希望基準(zhǔn)電壓對輸入有好的跟隨性同時減小輸出端的影響。因此將R₄取值得比R₅要小一個數(shù)量級。

2 濾波器的設(shè)計

設(shè)計濾波器往往要考慮下列因素：

（1）工作頻率范圍。

（2）參數(shù)變化的靈敏度及穩(wěn)定度。

（3）實(shí)際元件的重量和大小。

（4）運(yùn)算放大器的電壓源。

2.1 濾波器的選擇^[2]

本設(shè)計是工作在低頻的比較器。此時當(dāng)信號頻率是低頻時可以考慮的方式有低通、帶通或全通，同時還可選擇一階或多階。在考慮此設(shè)計后，一階濾波器在此設(shè)計中是較好的，且低通濾波器是相對比較簡單的，所以設(shè)計選擇低通濾波器。簡單低通濾波器通常可由電容與電阻組成。本設(shè)計采用了電容與電阻并聯(lián)接地的方式，最后的濾波器連同遲滯比較器設(shè)計如圖2所示。

2.2 元件值的確定^[3]

一階的濾波器有公用的傳輸函數(shù)：

其中Z是T(S)的零點(diǎn)，P是極點(diǎn)，在S平面上，Z可能落在正實(shí)軸或負(fù)實(shí)軸上，而P永遠(yuǎn)落在負(fù)實(shí)軸上。其中K為正數(shù)時由函數(shù)T（S）的相位公式得：

由圖2得其傳輸函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式為：

則：

對于S，當(dāng)S＝j(luò)ω＝0時：

當(dāng)S＝j(luò)ω趨向無窮大∞時：

由上式可知，電阻值可按設(shè)計的要求大概約束，如果需要其是低通濾波器則有關(guān)系式：

當(dāng)上式成立時，濾波器為低通。當(dāng)R為正實(shí)數(shù)時與上式等價。同時需要S＝0時|T（S）|接近1為約束條件。由以上條件可知R1的電阻最大，R3的電阻與其有可比性。在此取R₁＝10R₃，R₂的電阻比其低幾個數(shù)量級。

下面進(jìn)行相位約束條件的探討:

將S＝j(luò)ω代入式（2）中有：

計算相位的公式如下：

由式（6）結(jié)合式（1）可得：

要此電路在1 rad/s為處有45°的相位落差即要求：

而結(jié)合式（3）,（4）,（5），因?yàn)镽₁＝10R₃，R₂的電阻比其低幾個數(shù)量級，則有：

兩式聯(lián)立求解并取C＝1，可得：

根本式（7）：當(dāng)一個方程有兩個未知數(shù)，可取得的某一個為定值。如果計算后是合理值，便能解決問題。選擇P＝0.005，由式（7）得Z＝1，則：

從以上的結(jié)果可以找出元件值^[3]。由于C_new＝ ，R_new＝k_mR_old，根據(jù)實(shí)際電路中元件值的需要，如果按k_f＝1來設(shè)計很難與實(shí)際電容大小匹配。在此令k_f＝1 000，k_m＝420。得電路元件的實(shí)際值為：R₁＝840kΩ，R₃＝84kΩ，R₂＝420Ω，C＝2.34μF。再將C的值標(biāo)準(zhǔn)化為2.2μF。對R₄選擇值為R₃的1/10，即8.4kΩ，R₅則確定為R₄的20倍為170kΩ。

3 仿真和討論

仿真在HSpice^[5]下進(jìn)行，設(shè)定其電源電壓為2.3V，輸入信號選擇正弦信號。用HSpice的表示方法^[6]為sin（1.2V 0.45V 1Hz）即直流偏置為1.2V，幅值為0.45V，頻率為1Hz。其仿真波形如圖3所示。

圖3（a）即是輸入電壓隨時間變化的波形，圖3（b）中虛線為比較器正端的電壓，其相位與輸入電壓相同，在波谷由于輸出端反饋而畸變；實(shí)線表征比較器負(fù)端電壓，相位超前，完成預(yù)先設(shè)計。則圖3（c）中可見符合輸入信號的方波輸出。多種信號的輸入測試表明，電路的適應(yīng)性較好，能在多個不同偏置條件的輸入下工作。經(jīng)過電路仿真有以下結(jié)論：

（1）此電路有較好的適應(yīng)性，能在不同的偏置條件的輸入下工作。

（2）由于低通濾波器的原因，電路具有頻率選擇的功能。

（3）遲滯比較器提高了抗干擾能力，可將此電路形式推廣。如果濾波器是高通的，則可用在較高頻率中。對濾波器的形式也可多加選取。只要使兩端的信號產(chǎn)生相位差，電路的比較功能就能實(shí)現(xiàn)。