比較器與混合訊號元件

比較器抖動(comparator chatter)

想像一位裁判要判一場幾乎平手的撞線,而攝影機還微微晃動。判決不斷翻來覆去——這個贏、不對、是那個、不對、又回來——在零點幾秒內反覆許多次。比較器抖動正是如此:當輸入電壓恰好停在臨界值附近,輸出便高低高低地結巴,而不是乾脆切換一次。

原因是雜訊加上巨大的增益。比較器把兩輸入的差放大十萬倍以上,所以即使只是幾微伏的雜訊疊在一個剛好停在臨界值的訊號上,也足以把差值推成正、再成負、又成正。設想臨界值 2.5 V,輸入帶著 2 mV 雜訊緩緩上升穿過它:當它擦過 2.5 V 時,光是雜訊就反覆越線,輸出便在你想要一次果斷轉態的地方,冒出一串快速脈衝——也許數十個邊緣。

這之所以重要,是因為下游的數位電路相信每一個邊緣。抖動的比較器可能讓計數器為一個事件多計許多次、讓微控制器的中斷重複觸發、或讓馬達控制器嗡嗡作響。經典解藥是遲滯(hysteresis):刻意給比較器兩個臨界值,一個較高的用來開、一個較低的用來關,使它一旦做了決定,小雜訊就無法把決定推翻。加一點正回授去製造那道間隙,就把普通比較器變成史密特觸發器(Schmitt trigger)。

黃昏時光感測器越過臨界值,產生一個緩慢又帶雜訊的斜坡。裸比較器在光線擦過跳變點時輸出一段約 50 毫秒、參差不齊的脈衝串——讓門廊燈快速地一閃一閃——而不是乾脆切換一次。

臨界值上的雜訊化為一串假邊緣。

抖動並非元件壞了——它是高增益遇上臨界值附近帶雜訊輸入的必然結果。別靠放慢輸入來解決,要用遲滯來解決。

又称
output chatteroscillation near threshold輸出顫動