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了解电子元件和电路中的滞后
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2024年10月22日 18:27 51
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比较器电路中的迟滞
比较器电路可能是电子设计中故意迟滞最具代表性的使用。顾名思义，比较器是一种比较两个输入信号并通过其输出电压指示两个输入中哪个具有更高电压的设备。
基本模拟比较器只是一个具有高增益的差分放大器，这就是为什么没有负反馈的运算放大器可以构成一个合格的比较器。但是，运算放大器并未针对比较器功能进行优化，因此使用真正的比较器IC是一个更好的主意。
理想的非迟滞比较器只有一个差分输入门限。通常，该阈值为0 V，这意味着当两个输入信号之间的差值为零时，输出将转换。因此，一旦同相输入端的电压上升到反相输入端的电压以上，输出就会迅速增加到比较器的正电源电压;一旦同相输入端的电压低于反相输入端的电压，输出就会转换为负电源电压。
这一切在纸面上看起来都不错，但在实际电路中，单阈值模型往往不能令人满意。问题（像往常一样）是噪音。尽管“真实”（即无噪声）输入信号仅相互交叉一次，但影响所有现实生活中信号的小幅度波动可能导致多次输出转换。
我们可以在图1中看到这一点，其中蓝色曲线表示比较器同相输入端的信号。黑线代表连接到反相输入的电压，并用作参考电平。
当蓝色曲线远高于基准电平时，输出等于或接近正电源轨。当它远低于基准电平时，输出等于或接近负电源轨。当蓝色曲线接近参考水平时，就会出现问题。由于差分阈值为0 V，因此每次发生任何形式的交叉时，输出都会转换。这里所需的行为只是一个输出转换，因为蓝色信号的无噪声版本只会导致一个转换。然而，对于噪声，我们得到了三个过渡。
通过考虑系统的当前状态和系统的历史，我们可以大大减少杂散转换的数量。实际上，这看起来像图2：一个比较器电路，其中迟滞产生两个独立的阈值，一个用于增加的输入信号，另一个用于减少的输入信号。
该图演示了如果将一个参考水平转换为两个单独的阈值水平（此处用红线和绿线表示），如何避免杂散跃迁。由增加的信号引起的过渡要求输入越过绿色阈值，而由减少的信号引起的过渡要求输入越过红色阈值。这种情况只发生一次（如图 3 中的红色圆圈所示），因此只生成一个输出转换。
迟滞是通过向比较器IC添加正反馈来实现的。我们将在下一篇文章中讨论电路设计细节。
磁滞和数据存储
正如我在上一篇文章中所解释的，磁滞既可以是不希望的能量浪费来源，也可以是抑制噪声的有益方法。然而，在电子技术的一般历史中，更重要的是：磁滞是硬盘驱动器和其他磁性存储介质中数据存储的基本原理。
由铁磁性材料制成的磁性存储介质，这些材料在磁场强度和磁通密度方面具有天然的滞后性。例如，一块铁具有类似于图 4 的滞后曲线。
一旦这种材料被磁化，将磁场强度降低到零不会将磁通密度降低到零。为了消除磁化强度，您实际上必须施加相反极性的磁场。由于当施加的磁场被停用时，磁通密度不会衰减为零，因此材料可以在断电后保留信息。因此，它可以用作非易失性存储器。
晶闸管中的锁存行为
我提到过，我们通过创建正反馈的路径来向比较器添加滞后。晶闸管是一种半导体器件，其内部结构包含正反馈，使其以闭锁动作的形式表现出迟滞。图5显示了一种称为可控硅整流器（SCR）的晶闸管的物理结构、等效电路和原理图符号。
TRIAC 是 SCR 的双向版本。如图 6 所示，它相当于两个互连的 SCR。
SCR 和 TRIAC 是电控闭锁开关。栅极上的信号使这些器件传导电流，并且在栅极信号被移除后，它们继续传导电流。当流过器件的电流低于称为保持电流的阈值时，它将退出锁存状态。
这种迟滞行为在各种高功率应用中很有价值。TRIAC 在必须调整输送到负载的平均功率的交流应用中特别有用，例如调光电路。
比较器电路可能是电子设计中故意迟滞最具代表性的使用。顾名思义，比较器是一种比较两个输入信号并通过其输出电压指示两个输入中哪个具有更高电压的设备。
基本模拟比较器只是一个具有高增益的差分放大器，这就是为什么没有负反馈的运算放大器可以构成一个合格的比较器。但是，运算放大器并未针对比较器功能进行优化，因此使用真正的比较器IC是一个更好的主意。
理想的非迟滞比较器只有一个差分输入门限。通常，该阈值为0 V，这意味着当两个输入信号之间的差值为零时，输出将转换。因此，一旦同相输入端的电压上升到反相输入端的电压以上，输出就会迅速增加到比较器的正电源电压;一旦同相输入端的电压低于反相输入端的电压，输出就会转换为负电源电压。
这一切在纸面上看起来都不错，但在实际电路中，单阈值模型往往不能令人满意。问题（像往常一样）是噪音。尽管“真实”（即无噪声）输入信号仅相互交叉一次，但影响所有现实生活中信号的小幅度波动可能导致多次输出转换。
我们可以在图1中看到这一点，其中蓝色曲线表示比较器同相输入端的信号。黑线代表连接到反相输入的电压，并用作参考电平。
单阈值比较器电路，具有递减的输入信号。
当蓝色曲线远高于基准电平时，输出等于或接近正电源轨。当它远低于基准电平时，输出等于或接近负电源轨。当蓝色曲线接近参考水平时，就会出现问题。由于差分阈值为0 V，因此每次发生任何形式的交叉时，输出都会转换。这里所需的行为只是一个输出转换，因为蓝色信号的无噪声版本只会导致一个转换。然而，对于噪声，我们得到了三个过渡。
通过考虑系统的当前状态和系统的历史，我们可以大大减少杂散转换的数量。实际上，这看起来像图2：一个比较器电路，其中迟滞产生两个独立的阈值，一个用于增加的输入信号，另一个用于减少的输入信号。
一个迟滞比较器，具有增加和减少输入阈值。
该图演示了如果将一个参考水平转换为两个单独的阈值水平（此处用红线和绿线表示），如何避免杂散跃迁。由增加的信号引起的过渡要求输入越过绿色阈值，而由减少的信号引起的过渡要求输入越过红色阈值。这种情况只发生一次（如图 3 中的红色圆圈所示），因此只生成一个输出转换。
图2中的电路，用红色圆圈标记输入过渡的位置。
迟滞是通过向比较器IC添加正反馈来实现的。我们将在下一篇文章中讨论电路设计细节。
磁滞和数据存储
正如我在上一篇文章中所解释的，磁滞既可以是不希望的能量浪费来源，也可以是抑制噪声的有益方法。然而，在电子技术的一般历史中，更重要的是：磁滞是硬盘驱动器和其他磁性存储介质中数据存储的基本原理。
由铁磁性材料制成的磁性存储介质，这些材料在磁场强度和磁通密度方面具有天然的滞后性。例如，一块铁具有类似于图 4 的滞后曲线。
铁的滞后曲线。
一旦这种材料被磁化，将磁场强度降低到零不会将磁通密度降低到零。为了消除磁化强度，您实际上必须施加相反极性的磁场。由于当施加的磁场被停用时，磁通密度不会衰减为零，因此材料可以在断电后保留信息。因此，它可以用作非易失性存储器。
晶闸管中的锁存行为
我提到过，我们通过创建正反馈的路径来向比较器添加滞后。晶闸管是一种半导体器件，其内部结构包含正反馈，使其以闭锁动作的形式表现出迟滞。图5显示了一种称为可控硅整流器（SCR）的晶闸管的物理结构、等效电路和原理图符号。
SCR物理原理图、等效原理图和原理图符号。
TRIAC 是 SCR 的双向版本。如图 6 所示，它相当于两个互连的 SCR。
TRIAC等效电路和原理图符号。
SCR 和 TRIAC 是电控闭锁开关。栅极上的信号使这些器件传导电流，并且在栅极信号被移除后，它们继续传导电流。当流过器件的电流低于称为保持电流的阈值时，它将退出锁存状态。
这种迟滞行为在各种高功率应用中很有价值。TRIAC 在必须调整输送到负载的平均功率的交流应用中特别有用，例如调光电路。
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