Почему мне пришлось добавить буфер в эту схему?

Ваш датчик имеет высокое выходное сопротивление.

Представьте себе датчик как источник напряжения, включенный последовательно с резистором Rout. Если на выходе компаратора высокий уровень, вы получите следующую эквивалентную схему:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Здесь V_OpAmp — выходное напряжение операционного усилителя. Я предположил, что он высоко оценен на уровне 5 В. Напряжение холостого хода датчика V_sensor составляет 0,4 В, но из-за высокого выходного импеданса выходное напряжение операционного усилителя поднимает его до высокого значения. На самом деле на выходе датчика вы измеряете V_sensor_out = 2 В.

Я выбрал некоторые значения резисторов, которые воспроизводят результаты измерений, которые вы упомянули. Зная Rin и Rf, можно было легко рассчитать фактическое значение Rout.

Добавление буфера представляет датчик с нагрузкой с высоким импедансом, а триггер Шмидта с драйвером с низким импедансом, что эффективно устраняет эффект.

Для ясности то, что вы показали на своем рисунке, является компаратором с положительной обратной связью, что делает его триггером Шмитта.

Без положительной обратной связи выход компаратора достигает своего максимального напряжения (до VCC для некоторых компараторов), когда напряжение на его неинвертирующем входе превышает напряжение на его инвертирующем входе, и он достигает своего минимального напряжения (Vss или земли). , когда напряжение на его инвертирующем входе превышает напряжение на его неинвертирующем входе. Если напряжение между входами компартора близко к нулю, его выход может хаотично переключаться туда-сюда и всех сбивать с толку.

Положительная обратная связь используется, чтобы избежать этого хаотического переключения, усиливая первоначальную разницу между входными данными. Если изначально он был положительным (т. е. неинвертирующий вход был выше, чем инвертирующий вход), выходной сигнал станет высоким, и часть его, благодаря положительной обратной связи, сделает неинвертирующий вход немного выше и разница более положительная. Если он был отрицательным, выход станет низким и сделает неинвертирующий вход немного ниже, а разницу более отрицательной.

Простая версия схемы компаратора/триггера Шмитта, которую вы можете использовать в своем приложении, показана ниже:

Схема очень похожа на вашу, за исключением того, что датчик подключен к неинвертирующему входу. С помощью этой схемы вы можете точно рассчитать, насколько переключающий выход повлияет на неинвертирующий вход, поскольку это всего лишь цепь с резистивной обратной связью.

В вашей схеме влияние обратной связи предсказать труднее, потому что датчик является частью сети обратной связи, и его импеданс может меняться со временем (например, когда он что-то чувствует).

Кроме того, поведение такой схемы может сбить вас с толку: когда вы видите, что напряжение на выходе датчика увеличивается, вы можете подумать, что это связано с изменением состояния датчика, хотя на самом деле это может быть вызвано компаратором. выходное переключение с низкого уровня на высокий, при этом часть этого напряжения отображается на выходе датчика.

Конечно, если датчик имеет очень низкий выходной импеданс, положительная обратная связь будет более предсказуемой и будет определяться соотношением Rf и Rin. Буфер, как вы уже знаете, также изолирует датчик от положительной обратной связи, но это дополнительный компонент.

Таким образом, если вы хотите, чтобы ваша схема работала более предсказуемо без добавления буфера, вы можете использовать инвертирующий вход для датчика и позволить неинвертирующему входу делать свое дело.