Компараторы

Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений. Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 15.3а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разность выходное напряжение ограничено значением ±U_{ВЫХ m}. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение U_{ВЫХ m} лишь немного меньше ЭДС питания E_n, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительного и отрицательного насыщения.

Для реальных ОУ значение U_ГР не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая . Тогда при выходное напряжение . Наоборот, при выходное напряжение . Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).

На рис. 15.3б приведены эпюры входных напряжений компаратора (- синусоида, - постоянное) и выходного напряжения. Компаратор переключается в момент равенства . Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Длительность прямоугольных импульсов зависит от соотношения амплитудного значения синусоиды U_m и . Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольное или для преобразования U₂ в длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 15.4а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 15.4б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ . Напряжение на прямом входе ОУ U_пр формируется двумя источниками – U₀ и . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка R₁ R₂ выполняет роль делителя:

Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения до тех пор, пока U_ВХ < U_пр. Значение U_пр выполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают .

Когда входное напряжение U_ВХ становится примерно равным напряжению настолько, что ОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение . По цепочке R₁ R₂ оно поступает прямо на прямой вход ОУ, уменьшая значение U_пр на величину:

.

ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение . Последнее в свою очередь еще больше уменьшит U_пр. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.

Так как U_ВЫХ после переключения сменило свой знак, то изменилось и значение U_пр т. е. значение порога - .

.

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда . Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса увеличивается с увеличением отношения .