了解电子元件和电路中的磁滞现象

【导读】比较器电路可能是电子设计中最具象征意义的故意磁滞。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电压较高的装置。

了解电比较器电路、磁性元件和大功率设备中磁滞的行为及优点。

在前面的两篇文章中，我介绍了磁滞的概念，并详细阐述了磁滞系统的输出如何依赖于输入的当前状态和系统的历史。在这篇文章中，我想探讨一些电气工程应用，受益于磁滞。

比较器电路中的磁滞现象

比较器电路可能是电子设计中最具象征意义的故意磁滞。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电压较高的装置。

一个基本的模拟比较器就是一个高增益的差分放大器，这就是为什么一个没有负反馈的运算放大器可以成为一个合格的比较器。然而，运算放大器并没有针对比较器功能进行优化，所以最好使用真正的比较器IC。

理想的非磁滞比较器只有一个差分输入阈值。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，一旦非反相输入处的电压上升到反相输入处的电压之上，则输出迅速增加到比较器的正电源电压；一旦非反相输入端的电压低于反相输入端的电压，输出端就转换为负电源电压。

这些在纸上看起来都不错，但在实际电路中，单阈值模型往往不令人满意。问题（和往常一样）是噪音。尽管“真实”（也就是说，无噪声）输入信号仅相互交叉一次，但影响所有实际信号的小幅度波动可导致多个输出转换。

我们可以在图1中看到这一点，其中蓝色曲线表示比较器非反相输入处的信号。黑线表示连接到反向输入的电压，用作参考电平。

具有递减输入信号的单阈值比较器电路。

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图1：一种单阈值比较器电路。使用的图像由All About Circuits提供

当蓝色曲线远高于参考电平时，输出位于或接近正导轨。当它远低于参考水平，输出是在或接近负轨。当蓝色曲线接近参考水平时，故障发生。由于差分阈值为0 V，因此每次发生任何类型的交叉时，输出都会转换。此处所需的行为仅为一个输出转换，因为蓝色信号的无噪版本只会导致一个转换。然而，对于噪声，我们得到三个跃迁。

通过同时考虑系统的当前状态和历史，可以大大减少虚假跃迁的次数。实际上，这类似于图2：一个比较器电路，其中磁滞产生两个单独的阈值，一个用于增加的输入信号，另一个用于减少的输入信号。

一种具有递增和递减输入阈值的磁滞比较器。

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图2：具有递增输入阈值（绿线）和递减输入阈值（红线）的磁滞比较器。图片由All About Circuits和Robert Keim提供

此图演示了如果将一个参考电平转换为两个单独的阈值电平（此处用红线和绿线表示），如何避免虚假转换。由递增信号引起的转换要求输入跨过绿色阈值，而由递减信号引起的转换要求输入跨过红色阈值。这只发生一次（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，带有一个红色圆圈标记输入转换的位置。

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图3：图2中的电路，用一个红色圆圈标记输入穿过下限阈值的点。图片由All About Circuits和Robert Keim提供

磁滞是通过向比较器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。

磁滞与数据存储

正如我在前一篇文章中所解释的，磁滞既可以是浪费能量的不希望的来源，也可以是抑制噪声的有益手段。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存储介质中数据存储的基本原理。

由铁磁材料制成的磁存储介质，就磁场强度和磁通密度而言，铁磁材料是自然磁滞的。例如，一块铁具有类似于图4的磁滞曲线。

铁的磁滞曲线。

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图4：铁的磁滞曲线。使用的图像由All About Circuits提供

一旦这类材料被磁化，将磁场强度减小到零不会使磁通密度减小到零。为了消除磁化，你必须施加一个相反极性的磁场。由于当外加磁场失活时，磁通密度不会衰减到零，因此在移除功率后，材料可以保留信息。因此，它可以作为非易失性存储器。

晶闸管的闭锁特性

我提到过，我们通过创建一条正反馈路径来给比较器增加磁滞。晶闸管是一种半导体器件，其内部结构包含正反馈，从而以闭锁动作的形式显示磁滞。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、等效电路和示意图符号。

SCR物理图、等效原理图和原理图符号。

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图5：SCR物理图、等效原理图和原理图符号。使用的图像由All About Circuits提供

双向可控硅是可控硅的双向版本。如图6所示，它相当于两个互连的SCR。

双向晶闸管等效电路和原理图符号。

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图6：双向晶闸管等效电路和原理图符号。使用的图像由All About Circuits提供

SCR和TRIAC是电控闭锁开关。栅极处的信号使这些器件导通电流，并且在移除栅极信号后，它们继续导通电流。当流经该器件的电流低于称为保持电流的阈值时，该器件退出锁定状态。

这种滞回特性在各种高功率应用中都很有价值。例如，双向晶闸管在交流应用中特别有用，因为交流应用必须调整传送到负载调光器电路的平均功率。

我们已经看了三个例子磁滞作为设计和改进电子电路的工具。这些例子为我们提供了一个全面的概念，即磁滞提供的好处，它可以使系统对噪声更加鲁棒，便于数据存储，并简化大功率和交流系统中的控制任务。我将在下一篇文章中总结这一系列关于磁滞的内容，这篇文章将使用LTspice来模拟探索比较器电路中的磁滞。

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