Tricky Circuit

比较器:低于、等于、高于

会作出判断的电压

比较器比较两个电压,选择高电平或低电平输出。参考电压是比较目标;阈值是让判断改变的输入电压。

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实验台

改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。

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工作原理

理想同相比较模型,输出为 0 V 或 5 V。相等时特意规定为低电平。不模拟失调、噪声、响应延迟或输出负载;不代表某一款芯片。

Vin 是输入电压,Vref 是参考电压,Vout 是输出电压。+ 输入接 Vin,− 输入接 Vref;这些符号表示比较关系,不表示电荷。Vin > Vref 时 Vout = 5 V,否则 Vout = 0 V。差值 ΔV = Vin − Vref 决定状态,但不等于输出电压。

难度
  1. 搭建 · 搭建电路

    接通电源,设置输入 2 V、参考 2.5 V。读出低电平输出 0 V。

    需要提示?

    Vin = 2 V; Vref = 2.5 V → Vout = 0 V

  2. 探索 · 探索边界

    保持参考 2.5 V,把输入精确设为 2.5 V。发现模型的相等规则:输出 0 V。

    需要提示?

    Vin = Vref = 2.5 V → Vout = 0 V

  3. 独立解题 · 完成挑战

    保持参考 2.5 V,把输入设为 3 V。使输出变为高电平 5 V。

    需要提示?

    Vin = 3 V; Vref = 2.5 V → Vout = 5 V

延伸阅读与电路配方

会作出判断的电压

想象水箱传感器的电压随水位上升。比较器把“有多少?”变成“是否超过选定上限?”。移动参考电压,就能改变上限而不更换传感器。水箱只是类比;本实验只比较电压。

ΔV = Vin − Vref; Vin > Vref → Vout = 5 V; Vin ≤ Vref → Vout = 0 V

固定的 5 V 电源提供输出能量。两个输入只选择状态,所以很小的差值就能选择大得多的输出变化。

有用的规律

参考为 2.5 V 时,输入 2.6 V 和 4 V 都得到同样的 5 V 输出。比较器告诉你输入在边界的哪一侧,而不是离边界多远。

模型之外

真实输入在阈值附近波动时,输出可能反复切换。相等附近的噪声和微小失调很重要;下一课会给判断加入记忆。

值得避开的误区

输入相等时,模型按约定输出 0 V。这不保证真实比较器也如此,更不表示“电源电压的一半”。

输入保持 3 V,参考从 2.5 V 变为 3.5 V。输出会…

  1. 保持 5 V
  2. 变为 0 V
  3. 变为 3 V
延伸阅读

输入从高于参考变成低于参考,因此比较结果改变。

搭建电路

设置输入 2 V、参考 2.5 V,再接通电源。负差值选择 0 V 输出。

Vout = 0 V

探索边界

设置输入 3 V、参考 2.5 V,再接通电源。正差值 0.5 V 选择完整的 5 V 输出。

Vout = 5 V

改变一个参数

把输入固定在 3 V。只移动参考,从 2 V 经 3 V 到 4 V。找到边界后反向移动:这个比较器没有记忆。

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